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物理實驗

雙擺與混沌

兩組一模一樣的雙擺,初始角度只差 0.01°:前幾秒軌跡完全重合,然後突然分道揚鑣、再也回不去——對初始條件的極端敏感就是混沌,也是天氣預報只能報一週的原因。
t = 0.00 s

兩系統差異 log₁₀|Δθ₂| 對時間(直線段斜率=混沌指數)

實驗數據

尚無記錄。調整參數、完成一次量測後,按「記錄本次數據」把結果存進表格。

實驗參數

初始角度 θ₀(兩臂相同)
初始差異 Δθ=10^x 度
藍色=雙擺 A,紅色=雙擺 B(只差 Δθ)。兩條軌跡先重合、後分岔。

即時量測

目前角度差 |θ₂A−θ₂B|
°
分岔時間(差超過 30°)
s
能量漂移(積分品質檢查)
%
運動型態

實驗任務

  1. 規則區:θ₀=20°(小角度),Δθ=0.01°。兩系統幾乎永遠重合、 差異不放大——小振幅雙擺近似線性,是可預測的。
  2. 混沌區:θ₀=120° 重跑。前幾秒重合,然後突然分岔、各走各的。 看 log 差異圖:分岔前差異以「直線」上升——指數放大,這就是混沌的正字標記。
  3. 蝴蝶效應的代價:把 Δθ 從 10⁻² 縮小到 10⁻⁴(精準一百倍), 分岔時間延後多少?只多爭取幾秒——初始精度每多 100 倍,可預測時間只線性多一點。 天氣預報永遠報不了一個月,原因就在這裡。
  4. 混沌不是隨機:同樣初始條件重跑兩次,軌跡完全一樣(決定論)。 混沌=決定論+初始敏感,和擲骰子的隨機是兩回事。

模型與假設

模型:標準雙擺(m₁=m₂=1 kg、L₁=L₂=1 m)完整非線性運動方程(RK4,步長 1/960 s), 同時積分兩組僅初始角差 Δθ 的系統。
假設:無摩擦、無空氣阻力(保守系統);「能量漂移」讀數監控數值積分品質, 長時間混沌軌道的逐點位置必然失真(混沌的天性),但統計性質與能量守恆仍可信。