非線性動力學與混沌

奇異吸引子(strange attractor)

把許多不同的起始狀態投入一個混沌系統,待暫態消退後,它們全都收斂到同一個繁複、如絲織般的集合上——絕非簡單的點或環,而是一個看似無限層疊酥皮的物件,同樣的摺疊結構在每個放大尺度上重複。軌跡永遠被困在其上,卻永不重複、永不相交。這個既吸引又無盡複雜的弔詭物件,就是奇異吸引子。

吸引子是隨時間推移、鄰近軌跡向之收斂的一組狀態;當它同時具有兩項性質時便稱為「奇異」。其一,幾何上奇異:它是碎形,具有非整數(碎形)維度與各尺度的自相似結構,而非平滑的點、曲線或曲面。其二,其上的動態是混沌的:它至少有一個正的李亞普諾夫指數,故吸引子上的鄰近軌跡指數式發散。兩者能並存,是因為流同時伸展(分開軌跡,帶來敏感性)與摺疊(使之保持有界),這種伸展-摺疊的作用永遠重複,生成碎形層疊——就像麵包師傅反覆桿開又摺疊麵團。

奇異吸引子是耗散系統中持續混沌的幾何家園:勞倫茲吸引子、羅斯勒(Rössler)吸引子與埃農(Hénon)吸引子是教科書範例。對連續流而言,它們只能存在於三維或更高維的相空間,因為不相交規則與龐加萊-班迪克森定理禁止平面上出現混沌。一個精確用語的告誡:「奇異」嚴格指碎形幾何,「混沌」指正的李亞普諾夫指數;在絕大多數物理範例中兩者相伴而生,但數學家已建構出奇異卻非混沌、以及混沌卻非奇異的集合,故兩詞並非同義。

勞倫茲系統的每條軌跡,無論起點為何,都被吸引到同一個雙瓣蝴蝶狀、碎形維度約 2.06 的集合上,此後以永不重複的順序繞行兩翼。

一個吸引所有軌道的形狀,卻由永不閉合、永不相觸的軌跡穿織而成。

「奇異」(碎形幾何)與「混沌」(正的李亞普諾夫指數)是邏輯上相異的性質,在物理中幾乎總是相伴出現,但並非同一回事;兩者各自缺一的精心建構反例確實存在。

又称
chaotic attractor混沌吸引子