Denizde Katil: "Deli Köpek Dalgası" "el salladı"?
Sınırları olmayan bilim
Biz bilginin taşıyıcılarıyız
Refah zamanı
Bugün göndereceğiz CITIC Yayın Grubu Sağlanan yüksek kaliteli popüler bilim kitapları "Neden: Yeni Nedensellik Bilimi ".
Turing Ödülü sahibi Judia Pearl ve Bayesian Networks'ün babası meslektaşlarının önderlik ettiği nedensel devrim, yılların sisini aştı, bilginin özünü açıklığa kavuşturdu ve bilimsel araştırmada nedensel araştırmanın temel konumunu oluşturdu. Bilimsel topluluk nedensellik modeli için yeni bir metodoloji sağlar. Bu kavramın kitapta derinlemesine araştırılması ve araştırılması, matematiksel dilin tam olarak ifade edilmesiyle destekleniyor, bilim adamlarının nesiller boyu dokunmadığı araştırma sorularını yanıtlamamıza ve yapay zekayı yeni zirvelere taşımamıza olanak sağlıyor.
Bugünün çağında, nedensellik biliminin gerçekten önemli uygulaması yapay zeka alanında somutlaşmıştır. Nedensel modellerin yardımıyla yapay zekaya gerçek insan zekası ve hatta ahlaki bilinç vereceğiz, böylece yapay zeka ve insanlar karşılıklı işbirliği temelinde daha iyisini inşa edebilecek. Gelecek dünya.
Aşağıdaki makaleyi dikkatlice okuduğunuz, makalenin sonunda ortaya atılan soruları düşünün ve interaktifteki yorum alanına bir mesaj bırakın: cevap formatınız, ödül kazanma şansınız olacak!
Yazar: Charlie Wood
Çeviri: xux
Yorumcu: Cao Xinyu
Dolandırıcı dalga, gizemli dev bir okyanus dalgasıdır.Bu fenomenin arkasındaki prensip hakkında iki farklı fikir vardır. Son zamanlarda, olasılık teorisinden türetilen yeni bir teori, tüm çılgın köpek dalgalarını tahmin etmeyi umuyor.
Uzun bir süre deli köpekler sadece denizciler efsanesinde var oldu. Sadece son birkaç on yılda varoluşları için "gerçek bir çekiç" oldu.
1978 Noel arifesinde, bir kargo gemisi "Munchen" (MS München) Kuzey Atlantik'te şiddetli bir deniz fırtınasıyla karşılaştı. Kaptan fırtınadan kaçamasa da rüzgarın ve dalgaların 261 metrelik kargo gemisine tehdit oluşturmayacağı tahmin edildi. Gece yarısı, Münih büyük bir yolcu gemisine bir telsiz mesajı gönderdi: "İyi yolculuklar, yakında görüşeceğiz." Sadece üç saat sonra, radyo sinyali bir yardım çağrısı haline geldi ve sonra sessizlik oldu. Batı Alman gemisi ve gemideki 28 mürettebat ortadan kayboldu ve geriye sadece dört cankurtaran botu, üç konteyner ve birkaç yüzer cihaz kaldı.
Bir ipucu araştırmacıyı şaşırttı. München'deki bir cankurtaran, başlangıçta geminin yüzeyinden 20 metre yukarıda bir pozisyonda sabitlendi, ancak büyük bir kuvvet tarafından parçalandı ve kıç tarafına koştu. Söylentiler, büyük bir dalganın güverteye yukarıdan aşağıya düştüğünü yaydı, ancak o zamanlar böyle büyük bir dalga hayal edilemezdi. Batı Almanya Deniz Araştırma Komisyonu nihayet "geminin batmasının sebebinin açıklanamayacağını" ilan etti.
Bilim adamlarının bunu yalnızca son yıllarda kaydettikleri bir gerçek var, ancak denizciler bunu yüzyıllardır biliyor: okyanus anladığımızdan daha tehlikelidir. Araştırmacılar çılgın köpek dalgaları hakkındaki mitleri ve efsaneleri deşifre etmek istiyorlar. Görmeyi umdukları şey, dalgaların yüksekliğinin bir kişinin boyu gibi normal bir şekilde dağılacağıdır - verilerin çoğu ortalama yüksekliğe yakın bir yerde toplanır ve birkaç dağınık değer İnce kuyrukta çan şeklindeki eğri. Tabii ki bulabilirsin Dalgaların yüksekliği, bitişik dalgaların iki katıdır. , Ama sadece denizi uzun süre gözlemlemek zorunda kalırsanız.
Bu umut, 1995 yılının Yeni Yılında, Norveç'in Kuzey Denizi'ndeki Draupner petrol tesisine bir çılgın köpek dalgası saldırdığında meydana gelen bir olay nedeniyle kırıldı. Platform aşağıya bakan bir lazerle donatılmıştır Kayıtlar, 26 metre yüksekliğindeki bir dalganın yüzeyde aniden durduğunu ve dalgaların çoğunun 11,8 metre yüksekliğinde olduğunu gösteriyor: bu, yüksek çözünürlüklü anlık görüntülerle yakalanan bir deniz canavarı. Kesin kanıt, okyanus mitlerini gerçeğe dönüştürdü. O zamandan beri araştırmacılar, yalnızca 20. yüzyılın ikinci yarısında Mad Dog Wave'in 22 kargo gemisi almış ve 500'den fazla can almış olabileceğini belirlediler.
Draupner'ın dev dalgaları, bu yalnız devlerin nereden geldiğini anlamaya kararlı olan fizikçileri harekete geçirdi. Araştırmacılar önerdi İki Ana teori, her biri laboratuvar havuzunda ne kadar büyük dalgaların oluştuğunu tanımlayabilir. Ancak gerçek okyanusta hangi teorinin daha önemli olduğuna hala karar veremediklerini tartışıyorlar.
Günümüzde, bir grup uygulamalı matematikçi farklı bir yaklaşım benimsiyor ve sonuçları nasıl tahmin edeceklerini araştırıyor. Dev dalgaları tahmin edebilen bir cihaz icat etmek istiyorlar. Örneğin, kaptana önümüzdeki 15 dakika içinde% 13'lük bir 30'la karşılaşma şansı olacağını söyleyebilirler. Yüksek dalgaları ölçer ". Bu çalışma bize, çeşitli dev dalgaların aynı temel özelliklere sahip olabileceğini söylüyor.
New York Üniversitesi Kurant Matematik Okulu'nda uygulamalı bir matematikçi olan Eric Vanden-Eijnden, istatistiksel çerçevenin oluşturulmasına yardımcı oldu. "30 metre yüksekliğindeki bir deli köpek dalgasının pek çok şeye sahip olacağını düşünebilirsiniz. Farklı yollar arttı ama cevap hayır. "
Dalga süperpozisyonu
Draupner deli köpek dalgası gözlemlendikten sonra, dev dalganın nasıl evrildiğine dair iki düşünce ekolü ortaya çıktı.
İlki en basit olanıdır. Birincisi, yükselen iki dalga farklı hızlarda ilerler. Biri diğerini geçtiğinde ikisi birleştirilir. Çok sayıda dalga aynı anda üst üste gelirse, deli köpek dalgaları olacaktır, ancak dalgaların bileşenleri her zaman bağımsız olarak çalışır. Georgia Teknoloji Enstitüsü'nde bir deniz mühendisi olan Francesco Fedele, bu sözde doğrusal toplama mekanizmasını "okyanusla zar oynamak" olarak tanımladı.
Oşinograflar, belirli bir yükseklikteki dalgaların olasılığını hesaplamak için uzun zamandır bu yöntemi kullandılar, ancak bu tahmin yöntemi hala tartışmalı çünkü Draupner'ın çılgın köpek dalgaları gibi canavarların olasılığını hafife alıyor gibi görünüyor.
Atlantik Okyanusu'nda Kuzey Carolina kıyılarında görünen çılgın köpek dalgaları
Federer gibi bazı araştırmacılar, geleneksel yöntemlerin kurtarılabileceğini düşünüyor. 2016 yılında yapılan bir çalışmada, o ve meslektaşları, hepsini pürüzsüz sinüzoidler olarak görmek yerine dalga denklemine sivri uçlar ve dairesel çukurlar dahil ettiler. Bunun tüm okyanus dalgalarını açıklamaya yeterli olduğuna inanıyorlar.
Ancak diğerleri, en aşırı dalgaların o kadar basit olmadığına inanıyor. Bir lavaboda, benzer uzunluktaki iki dalga yan yana geldiğinde, enerji birinden diğerine sızacaktır. Tek tek dalgalar birbirlerini karmaşık ve doğrusal olmayan bir şekilde etkiler, tıpkı oşinografinin temel modeli olan doğrusal olmayan Schrödinger denkleminde tanımlandığı gibi. (Kuantum teorisi ile bariz bağlantısı tesadüfi değildir. Sonuçta, atom altı parçacıklar dalgalar gibi davranırlar.) Çoğu durumda, bu denklem mükemmel bir şekilde çözülemez, ancak sayısal çalışmalar, koşullar doğru olduğunda dalgaların aktif olarak kendiliğinden toplanacağını göstermiştir. ayağa kalk. Aindon, "Büyük bir anlaşma yapmak için komplo kurmak için hızları var" dedi.
Ama doğrusal olmayan odaklanma denen bu etki, Münih'in batışının suçlusu olabilir mi? Federer gibi doğrusal dalgaların destekçileri öyle düşünmüyor. Su tankındaki dalgaların sınırlı olduğuna, ancak denizdeki dalgaların toplanamadan dağıldığına inanıyorlar. Diğer araştırmacılar, gerçek okyanus hakkında yeterince bilgimiz olmadığını söylüyor. Bazı rüzgarların lavabodakilere benzer koşullar yaratarak deli köpek dalgalarının oluşmasına neden olabileceğini söylüyorlar.
Deli köpek dalgalarında iki bakış açısı.
Uzun yıllar boyunca, deli köpek dalgası teorisine iki görüş hakim oldu. İlk görüş, bağımsız dalgalara eklenmenin çılgın köpek dalgalarını açıklayabileceğidir. İkincisi, dalgaların etkileşim şeklinin daha karmaşık olmasıdır.
Doğrusal toplama: Bir dizi bağımsız dalga farklı hızlarda yayılır. Bazen birçok dalga tepesi üst üste gelir ve çılgın köpek dalgaları üretir.
Doğrusal olmayan odaklanma: dalgalar birbirleriyle etkileşime girebilir ve aralarındaki enerji birbirine dönüştürülebilir. Bu etkileşimler çılgın köpek dalgaları oluşturmak için birlikte çalışabilir.
Gerçekte, her iki yorumlama mekanizması da anlamlıdır. Sydney Üniversitesi'nden dalga fizikçisi Amin Chabchoub, "Yüzlerce belgeyi değerlendirdikten sonra, belirleyici mekanizmanın o zamanki duruma bağlı olduğu sonucuna vardık." Dedi. Doğrusal ekleme bazı çılgın köpek dalgalarını açıklayabilir, ancak doğrusal olmayan yöntemler daha etkiliyken özel koşullar altında olasılığı hafife alır. . Bazı durumlarda, iki yorumlama mekanizması birleştirilmiş ve dalgayı inanılmaz yükseklere çıkarmıştır.
Şimdi araştırmacıların, deli köpek dalgasının nedeninin hangi açıklama mekanizması olduğunu bulması gerekmeyebilir. Aindon ve meslektaşları "herkese uyan tek boyut" bir istatistiksel model geliştirdiler ve bunu geçen Aralık ayında PRX'te yayınladılar. Bu model, nasıl meydana geldiğine bakılmaksızın herhangi bir çılgın köpek dalgasıyla karşılaşma olasılığını tahmin ediyor. Oxford Üniversitesi'nde bu araştırmaya dahil olmayan akışkanlar mekaniği bilimcisi Ton van den Bremer, Bu araştırma sonucu her türlü deli köpek dalgası için geçerlidir. Üretim mekanizması doğrusal bir model veya doğrusal olmayan bir model olabilir. Hatta bir eşeğe binen bir adam bile olabilir. Önemli değil. "
Genel dalga teorisi
Aindon, çılgın köpek dalgalarının birleşik tanımının anahtarının Son derece nadir olayları anlamanın kendi mantığı vardır . Kumar oynamayı düşünün. Bir kumarhanenin daha fazla para hazırlaması ve birini şanslı bir sayı ile art arda üç rulet kazanması için hazırlaması en iyisidir, çünkü her 50.000 rulet muhtemelen üç maçlık bir galibiyet serisi üretecektir. Ancak kumarhanelerin on maçlık galibiyet serisi konusunda endişelenmesine gerek yok çünkü bu ortalama bir trilyon tur gerektiriyor. Zekice olan şey, her olasılığı hesaplamak zorunda kalmadan nadir bir olayın olasılığını çok doğru bir şekilde hesaplamak için en az nadir olayın olasılığını kullanabilmenizdir.
Basit kumarhane oyunları için standart algoritmalar yeterlidir, ancak yukarıdaki fikir yakalar Olasılık teorisinde Büyük Sapma Teorisinin (LDT) özü . Bu teori, meydana gelme olasılığı çok düşük, ancak bir sonraki, daha az yaygın durumdan çok daha yüksek olasılığa sahip çok nadir olay türünde uzmanlaşmıştır. Aindon, aynen analizin cebirde çözülmesi zor olan problemleri çözebilmesi gibi, büyük sapmalar teorisinin standart istatistikte bulunmayan hesaplamalara izin verdiğini söyledi.
Araştırma ekibi, çalkantılı okyanusun büyük sapmalar teorisine tanık olmak için mükemmel bir tiyatro olduğu sonucuna vardı. Küçük bir dalga birçok şekilde oluşturulabilir ve adından da anlaşılacağı gibi çılgın köpek dalgası özellikle özeldir. Eğer onu görürseniz, yalnızca doğru zaman ve yerin böylesine büyük bir dalga yaratabileceğini fark edeceksiniz - bu, "art arda üç zaferin" okyanus versiyonu. Diğer evrimsel süreçler teoride elde edilebilir olabilir (örneğin, birbirini izleyen on zafer), ancak bunlar pratik değildir. Sıradan bir dalganın aşırı bir istisna olma olasılığını tahmin etmek için, hiçbir şeyin oluşumunu durduramayacağı, boşuna olmayan, özel bir yol bulmanız gerekir.
İlk olarak, 2018'de matematikçiler teorik çerçevelerini sayısal simülasyon dalgaları ile test ettiler. Doğrusal Olmayan Schrödinger Denklemine (NLSE) büyük sapmalar teorisini uygulayın . Bilgisayarın belirli okyanus koşullarını karşılayan rastgele dalgalar oluşturmasına izin veriyorlar ve her dalga kümesi, karakteristik bir aralıkta bir yüksekliğe ve dalga boyuna sahip. Daha sonra, her okyanusun nasıl geliştiğini gözlemlemek için doğrusal olmayan Schrodinger denklemini uyguladılar ve hangi okyanusun dev dalgalar üretme olasılığı en yüksek olduğunu tahmin etmek için büyük sapmalar teorisini kullandılar. Umut ettikleri gibi, sayısal olarak simüle edilmiş belirli bir okyanus türü için, belirli bir modelin yalnızca bir başlangıç dalgasının çılgın bir köpek dalgasına dönüşeceğini buldular.
1 Ocak 1995'te, Norveç'in Kuzey Denizi'ndeki Draupner petrol platformu 26 metrelik bir çılgın köpek dalgası kaydetti. Araştırmacılar, oluşumuna yol açan koşulları anlamak için Draupner dalgasını (solda) minyatür bir modelde yeniden oluşturmaya çalıştılar. Araştırma, Edinburgh Üniversitesi'ndeki Flowave Deniz Araştırma Enstitüsü'nde gerçekleştirildi.Tesis, 168 dalga jeneratörüyle çevrili 25 metre çapında bir havuz içeriyor (sağda resmedilmiştir).
Simüle edilen dalgadan sonra katı dalga gelir. Matematikçi, İtalya Turin Üniversitesi'nde dalga fizikçisi Miguel Onorato ile temasa geçti. Bir keresinde Norveç'te yaklaşık 270 metre uzunluğundaki bir tankta Çılgın Köpek Dalgalarını "yeniden yapılandırdı". Bunların arasında bazılarını kanıtladı. Çılgın köpek dalgaları doğrusaldır, bazıları doğrusal değildir ve bazıları bir arada bulunur.
Onorato'nun veri seti, her biri bir dalga üreticisi tarafından rastgele oluşturulan çok çeşitli okyanusları (insan yapımı ve tek boyutlu da olsa) kapsıyor. Araştırma ekibi, her deney için yalnızca tipik dalga yükseklikleri gibi yüksek düzeyli istatistikler kaydetti.
Bu istatistikler kaba olmasına rağmen, yeterlidir. Büyük sapmalar teorisi, prototip yolunu tahmin edebilen bir optimizasyon problemine indirgenir İlk dalgalanmadan son büyük dalgaya . Tüm süreç, bir film gibi kare kare açılır ve ancak bu yol izlenerek nihai yüksekliğe ulaşılabilir. Araştırmacılar, laboratuvardaki en yüksek dalganın çerçevenin tahminleriyle tam olarak eşleştiğini buldular, bu da en tehlikeli dalgaların ikinci bir şekilde neredeyse hiç evrimleşmediği hipotezlerini destekliyor. Birleşik Krallık'taki Warwick Üniversitesi'nde matematikçi olan ve makalenin ortak yazarı Tobias Grafke, "Bu olaylar olursa, aynı yörüngeyi takip edecekler" dedi.
Oyuncak teknedeki minyatür denizciler Onorato tankında yelken açtılarsa, ekibin tahminine dikkat etmeleri gerekiyor. Çoğu durumda, okyanus "deli köpekler" olarak kabul edilebilecek herhangi bir dalga üretmez, ancak bunlardan 300'den fazlası üretilmiştir ve ister doğrusal, ister doğrusal olmayan, ister ikisinin karışımı olsun, temelde büyük sapmalar teorisini izler. Tahmin gelişimi.
Çerçevenin ayrıca sınırlamaları vardır: Okyanus akıntılarının ve rüzgarın etkilerini dikkate alamaz ve dalgaların herhangi bir yüksekliğe kadar büyümesine izin verir. . Bu, doğrusal olmayan Schrodinger denklemine bağımlı olmasının sonucudur. Doğrusal olmayan Schrodinger denklemi de bu fenomeni dikkate almaz. Federer, "Çok şükür dalgalar kırılabilir. Doğrusal olmayan Schrodinger denklemleri okyanusunda kalmak istemezsiniz" dedi.
Araştırmacılar, araçlarının aktarılabilir olduğunu ve doğrusal olmayan Schrodinger denkleminin diğer daha süslü dalga teorileriyle değiştirilebileceğini söylüyor. Aindon şöyle dedi: "Bu bir araba inşa etmeye benzer. Birini yaptıktan sonra, aynı şekilde başka bir tane de yapabilirsiniz." İlk öncelik, dalgaların açık okyanusta akmasına izin vermek için modelin teorik çekirdeğini değiştirmektir. Lavabo ile sınırlı kalmadan serbestçe yayın.
Teorisyenler araçları geliştirmeye devam ederken, Onorato daha eksiksiz bir dalga ölçümü elde etmek için bir sonraki adıma hazırlanıyor. Şamandıralar ve lazerler, geniş bir aralıkta yalnızca bir noktanın yükseliş ve düşüşünü ölçebilir ve doğrusal ve doğrusal olmayan oluşum süreçlerini ayırt etmek zordur. Video verilerini analiz ediyor ve 7 TB'lık veriden gemi titreşimlerini ve deniz suyu dalgalanmalarını çıkarıyorlar. Onorato ayrıca Antarktika yakınlarındaki sularda büyük sapma teorisinin doğruluğunu test etmeye başladı. "Umut verici görünüyor" dedi.
Yaklaşan bir fırtına karşısında, denizcilerin çevredeki dalgaları incelemek için fazla zamanı yoktur, ancak yeni çerçeve, uzun vadeli bir hedefe doğru küçük bir adımı temsil etmektedir. Uzun vadeli hedef, deli köpek dalgalarını tahmin eden, alarm verebilen ve size kapağı ne zaman kapatacağınızı söyleyebilen bir cihaz geliştirmektir. Büyük sapma teorisi değiştirilip açık okyanuslara uygulandığında, Münih gibi gemilerin tomurcuklanırken çılgın köpek dalgalarını tespit etmesine yardımcı olabilir.
Orijinal bağlantı: https://www.quantamagazine.org/the-grand-unified-theory-of-rogue-waves-20200205/
[Etkileşim sorusu: Hangi bilimsel teorilerin insanların hayatını kurtardığını biliyor musunuz?
Lütfen kesinlikle takip edin Etkileşim: Soruların yanıtları Biçiminde etkileşime katılmak için yorum alanına bir mesaj bırakın. Biçim gereksinimleri karşılamıyorsa geçersizdir.
* Bu etkinlik WeChat platformuyla sınırlıdır
Düzenle: aki
Görüntülemek için başlığa tıklayın
1. Fizik yasaları size şunu söylüyor: İtiraf çok büyük bir kayıp olabilir ve ayrıldıktan sonra kan kazanmanız gerekir
2. Şok! Dün diktiğiniz süpürge NASA'yı gerçekten endişelendirdi
3. Alkol ve 84 dezenfektan birlikte kullanılabilir mi?
4. Tek kullanımlık tıbbi maskeler nasıl yapılır? Nasıl dezenfekte edilir?
5. Matematik eğlencelidir Bu dev takım, matematik ve fen alanlarında bir grup doktorla birlikte sahayı taradı.
6. "Sıcaklık ölçme tabancası" sıcaklığınızı nasıl ölçer?
7. 0 derece su ile 100 derece su karıştırılarak 50 derece su elde edilebilir mi?
8. İnsanlar neden öpüşmeyi sever?
9. Virüs nereden geliyor?
10. İlk görüşte aşk güvenilir midir?
