绝大多数混沌动力系统均建立在一定的数值计算基础之上,不过,目前有一令人振奋的信号,这就是用易于理解的文字来论证混沌的存在,即使没有机会使用像克雷Ⅱ型最新超级计算机,要用文字来阐述动力学中的混沌现象是不容置疑的。

如今,混沌已经是动力学中被广为接受的基本概念,在描述实际问题的方程中,若其解敏感或者强烈地依赖于初始条件/则意味着系统存在混沌,这样,如果全同粒子从相空间(由位置和速度构成)中不可区分的地方出发,然后它们会很快地互相分离开,因此,人们似乎已作出定论:数值解是研究混沌的主要手段。

显然,这个问题应该更早点提出来,其简单的形式是经典粒子(如台球)的势面散射,在势能范围内粒子具有附加势能而被排斥。正像台球爱好者所熟知的那样,不管对台球散射作怎样的简化,散射的结果常常是冲击参数极敏感的函数,这样的系统应该具有混沌行为是不难理解的。

由于散射中心的性质不同于刚性球,冲击粒子的行为可能更复杂。例如,在核散射中(仍为经典的),设势能空间对某点(原子核)是球对称的,势能沿着接近散射中心的方向逐渐增加,然后增至最大为Em,卢瑟福第一个计算了作为冲击参数函数的散射角,这种情况确实不会出现混沌。如果冲击粒子的能量E大于Em,则不难猜出对应碰撞参数的散射角图像。当冲击参数很大或者为零时,那么散射角也为零,即粒子轨道将无偏斜地远离散射中心,而对准中心的仍直穿过去,有些介于两者之间的冲击参数对应散射最大的情况,且最大散射角一定小于x/2。当E小于Em时情况比较复杂,尽管粒子正对散射中心被反射回来,但仍不能产生混沌。

可是,假如散射中心不是单个势能垒而是多皇,情况又如何呢?布洛赫等描述了形如x2y2e-(x2+y2)的二维势能函数所出现的现象,式中x和y分别表示坐标,实际上它对应于势能面上有4个相同峰的系统,当E大于Em时,不难看出散射角是冲击参数的复杂函数,且是稳定的;但如果能量小于最大能量值,系统则陷入混沌状态。把粒子置于这样的系统中,粒子在摆脱之前来回跳跃于最大能量之间,而摆脱的方向却非常敏感地依赖于最初被俘获时的行为。

如此复杂的问题能用文字说明吗?在一定程度上来说,答案是肯定的。他们假定,分别具有最大能量为Em1、Em2和Em3的3个散射中心从小到大依次排列,并认为所能出现的两种情况主要取决于散射中心的几何关系。一是最弱的散射中心位于以其余两个连线为直径的圆周之外,另一个则是位于这种圆周之内。它们的根本区别在于前者的3个散射中心连成的3角形顶角一定小于x/2,而后者大于x/2。问题的关键是预测粒子何时以及如何冲击此系统才能呈现混沌行为。

除非E小于Em2时不存在把粒子限制在两散射中心之间的冲击轨道,混沌一般很少出现,况且,对于第一种情况,由于在最低峰的最大散射角一定小于x/2,说明粒子从Em2散射到Em1后不能再散射到Em3。但若粒子的能量低于Em1,就存在无数条俘获轨道,道理很简单,因为大角度的折射是不可避免的。这就是从有序到混沌的突变。

因具有最小能量的散射中心位于上述圆内,那么,第二种情况就复杂多了。如果E大于Em1而小于Em2,一切则取决于Em1是否大得足以使粒子从另一散射中心折射到第三个散射中心。如果能这样的话,由于粒子可有无数条几乎是周期性的冲击轨道,则系统也能很快地过渡到混沌。另一方面,如果Em1不是充分大,仍存在被Em1散射后在另两个中心之间停留一段时间的轨道,随着E减到小于Em2,这种轨道的数目将成倍地迅速增加,其表现方式颇像大家熟悉的混沌系统中的混沌。这种随某些参量的变化而出现附加允许轨道的过程称为分叉(相当于倍周期分叉)。

结论虽简单,但完全可以推广到更复杂的散射总分布。布洛赫及其同事对混沌方面最有意义的工作是论证了:同一动力系统可能以两种不同的方式出现混沌——突变道路或分叉道路。因此,他们认为混沌轨道的分维数随能量E与散射峰能之差而变化的计算分析是有价值的。他们的研究已经使复杂的数值问题几乎文字化了,不言而喻,这给其它方面也带来了新的生机。

[Nature,1989年9月7日]