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66661周前
如果宇宙的尽头是重启,12万亿年之后我们或许会再次相遇。这不是科幻,是庞加莱回归定理揭示的数学必然。 我们从小就知道摔碎的杯子不会自己跳回桌上,混合的牛奶、咖啡不会自动分离,时光无法倒流。长大后才知道这是热力学第二定律的诅咒熵增,宇宙万物都在不可避免地走向混乱和衰亡。 但是在1890年一位数学家却用纯粹的数学逻辑推导出了一个让物理学界乃至哲学界都感到战栗的结论:只要时间足够长,摔碎的杯子由于原子运动的随机性终将严丝合缝地复原;只要时间足够长,宇宙中的一切混乱都会重置;而你也是由无数原子构成的,在漫长的死寂之后终将重新组合再次睁开双眼。这就是著名的庞加莱回归定理。 你好地球人,我是老马。接下来一起推演这场跨越宇宙寿命的"永恒轮回"。要理解这个疯狂的定理,先得认识这个人亨利·庞加莱。就算你不喜欢数学也一定听说过"三体问题"或者"蝴蝶效应"。没错,庞加莱就是那个最早发现三体系统不可积,从而开启了混沌理论的祖师爷。 19世纪末物理学界正沉浸在一种绝望的氛围中,克劳修斯提出的热寂说"像一片乌云笼罩着世界。如果宇宙是一个孤立系统,熵会不断增加,最终所有能量耗尽,温度达到平衡,宇宙将变成一潭死水,没有任何生命也没有任何变化。这听起来就是世界的末日对吧? 但庞加莱不这么看,作为数学家他并不关心热力学那些关于"热量"的宏观描述,他关心的是系统最底层的微观机制。1890年他在研究三体问题时顺手证明了一个对于动力系统至关重要的定理。他发现只要一个系统满足两个看似简单的条件: · 第一,系统的能量是守恒的,不会凭空消失; · 第二,系统被限制在一个有限的空间内,不能无限膨胀。 这个系统中的粒子无论经过多么复杂的运动,最终一定会回到极其接近它初始状态的位置,而不是"可能"。就像这盘疯狂跳动的钢珠实验,此刻它们正被震动的混乱四处移动,但只要盒子限制了范围,能量维持恒定,经过漫长的随机碰撞,它们终将奇迹般地全部退回角落,严丝合缝地重现出发时的模样。 为了证明这一点,我们需要引入一个稍微有点硬核的概念,请大家跟紧我,这叫相空间。想象一下,如果我们要描述"你"现在的状态,需要知道你体内每一个原子的位置和速度,这是一个天文数字般的数据量。但在数学家眼里,我们可以把这亿万万个数据压缩成一个高维空间里的"一个点"。 随着时间推移你体内的原子在动,这个"点"就在高维空间里画出一条线,这叫"相轨
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