小到生命体，大到宇宙天体：为什么自然系统中充满了难以分辨的混沌？

钱维宏 北京大学物理学院

从显微镜下蠕动的单细胞生物，到宏观世界里繁衍生息的人类与动植物，从覆盖地球的海洋、大气，再到遥远的太阳系、银河系……自然造就的系统无处不在。当我们用越来越精密的观测工具审视这些系统时，得到的观测数据几乎都呈现出混沌的特征。这种混沌并非简单的“杂乱无章”，而是复杂到即便动用海量GPU组成的超级计算机，也难以精准预报其未来走向。面对这样遍布从微观生命到宏观宇宙的混沌现象，我们为何要专门建立物理分解下的正交碰撞理论？答案，就藏在对混沌表象下内在秩序的探寻之中。

混沌的核心困境，在于系统是多种状态叠加的复合体，若直接对整体的混沌态进行分析，永远也无法触及问题的本质。以生命系统中最具代表性的人类为例，年少时身体机能旺盛，生长发育遵循稳定节律，各项生理指标趋于均衡，此时的生命状态以“正常态”为主导；随着年龄增长，身体逐渐衰老，体检单上的异常指标开始增多，各种病症随之显现——有人早早被异常指标与病症缠身，最终被某类疾病击垮；有人却能长期维持指标稳定，得以长寿。这背后的关键逻辑是，每个人的生命状态，都是“正常态”与“异常态”的叠加，且这两种状态会随时间、空间发生个性化变化。比如120/70mmHg的血压标准，既无法适配不同体质的个体，也不能覆盖同一个体的不同年龄阶段。从生理本质来看，当前身体状况由随时空动态变化的正常态与异常态共同决定，且两者的变化都存在明确的物理意义，会受到外部环境的强迫与影响。这种将复杂系统拆解为正常态与异常态的分析方法，便是“物理分解”的核心内涵 [1]。

物理分解的价值，首先在于为混沌系统提供了“可归因”的分析框架——正常态的时空演变有其物理根源，异常态的滋生扩散也有明确的驱动因素。孩童与老人之所以比中年人更易生病，核心原因在于他们的正常态（也可称为基本态、参考态）“根基薄弱”，就像地基不稳固的建筑，微小的扰动（异常态）便能轻易打破平衡；当中年人的正常态稳固，对异常态的抵御能力更强，也就更难患病。这一规律并非人类独有，动物的健康状态评估同样适用：野生动物的正常态是适应栖息地环境的生理节律与行为模式，而极端天气和异常气候、天敌侵扰等外部强迫引发的生理紊乱、行为异常，便是需要警惕的异常态，当异常态的强度超过正常态的承载极限，动物便会面临生存危机。

植物系统的生长规律，同样印证着物理分解的普适性。一棵树木的生长状态，本质上是正常态与异常态的叠加：树芯周围对称分布的年轮，是树木适应太阳辐射、水热条件等常规环境的正常态体现，少许均匀的不对称，也是环境常规变化的印记；而树干上的局部伤疤、年轮中的突变纹路，则是风暴、病虫害等外部突发强迫留下的异常态痕迹。通过物理分解，我们能清晰区分树木生长的“常规节律”与“突发干扰”，精准追溯每一处生长痕迹的物理成因——这正是物理分解破解系统混沌的核心能力：从杂乱的表象中分离出具有明确物理意义的正常与异常分量，让混沌变得“可解读”。

将视角从生命系统扩展到地球大气，物理分解的必要性会更加凸显。早期气象观测手段有限，科学家通过长期观测的时间平均，得到了随太阳辐射年循环变化的光滑环流图景——这便是大气的“正常态”（气候态），此时的天气图对称、规整，易于理解。但随着卫星、雷达等高精度观测工具的应用，海量高时空分辨率数据勾勒出的天气图变得混沌不堪：台风的螺旋结构、龙卷的剧烈旋转、雷暴的零散分布，都让原本规整的环流图景被打乱。这种混沌态的本质，是大气正常态与异常态的叠加，而极端天气的难以预报，根源就在于传统方法直接对混沌态进行分析，忽略了两种状态的本质差异。

现代数值天气预报模式的困境，更直观地说明了这一点。当前的原始方程组模式，将所有高时空分辨率的混沌观测数据直接输入超级计算机，即便耗费海量算力，输出的仍只是“总量混沌态”，难以精准识别极端天气的信号——毕竟，观测误差的累积、“蝴蝶效应”的放大，都会让混沌态中的异常信号失真。而物理分解恰好能破解这一难题：我们先从混沌数据中提取出受太阳辐射日循环、年循环强迫与下垫面热力-动力响应达到平衡的气候态（正常态），再用原始混沌态减去气候态，得到的“异常态”（扰动态）便精准对应着极端天气的核心信息。这些扰动态的时空变化结构，就可以为极端天气定种类（如雷暴、热浪、寒潮）、定强度、定位置和定时间——这便是物理分解法能够对极端天气的“四个确定”，可为精准预报提供核心支撑 [2]。此外，气候态的风场还能对异常扰动产生线性平流作用，若以台风最强高度的气候风作为引导气流，远比用混沌态的观测风引导更具物理合理性，能大幅提升台风路径预报的精度。

物理分解的应用边界，远不止于生命与大气系统，它同样适用于固体地球、宇宙天体等更宏观的系统。地球表面看似杂乱无章的地形地貌，实则是不同时空尺度正常态与异常态叠加的结果：大尺度的大陆轮廓、海洋盆地，是地核与外层岩浆流体角动量交换、各圈层相互作用形成的“正常态”；而局部的山川峡谷、火山地貌，则是该层次下的“异常态”。即便这些地形最终呈现混沌分布，通过物理分解，我们仍能找到隐藏的秩序——比如早期岩浆流体辐合带两侧大陆对称分布的特征。这意味着，物理分解能穿透宏观系统的混沌表象，找到其形成与演变的核心逻辑 [3]。

如果说物理分解是“拆解混沌”的工具，那么正交碰撞理论便是“解读极端”现象的关键钥匙。当我们通过物理分解从混沌系统中分离出扰动态后，会发现所有极端事件——无论是大气中的龙卷、海洋中的海啸，还是太阳上的黑子爆发、银河系中的黑洞活动，甚至是人体中的癌症病变——本质上都是扰动能量集中释放的结果。而这种能量的集中，往往源于不同扰动量的相互作用，其中最剧烈的能量释放，便来自“正交碰撞”：当两个扰动矢量力垂直相交时，会在碰撞点形成最大能量密度，这种能量的爆发会直接摧毁系统的正常态平衡，引发极端事件 [4]。即便碰撞角度并非严格90度（如30度），其能量密度也能通过定量计算确定（为正交碰撞能量密度的一半），这为极端事件的强度预判提供了精准的量化依据。

更重要的是，物理分解与正交碰撞理论还揭示了不同尺度系统的“嵌套规律”：高层次的正常态，是低层次扰动系统（异常态）的存在背景；而更低层次的异常态，又是更高层次系统中的局部扰动。以赤道辐合带为例，它属于气候尺度的“正常态”系统，其上的扰动气流正交碰撞可形成天气尺度的“异常态”（台风）；当台风形成后，它便成为新的“正常态”背景，其内部风速切变线上的中小尺度扰动气流发生正交碰撞，又会催生中小尺度的“异常态”（龙卷）。这种层层嵌套的结构，遍布于从微观生命到宏观宇宙的所有系统之中，构成了自然系统中的混沌现实。

回到核心问题：为何要建立物理分解下的正交碰撞理论？因为从微观生命到宏观宇宙，混沌是自然系统的普遍表象，而用复杂的数学方法直接分析混沌态，永远也无法触及问题的本质。物理分解的价值，在于将复杂系统拆解为具有明确物理意义的正常态与异常态，让混沌变得“可归因、可解读”；正交碰撞理论的意义，则在于精准定位极端事件的能量来源与强度，让极端现象变得“可预判、可量化”。从人体健康的高时空分辨率精准诊断（区分正常生理节律与病变异常）、农作物的灾害预警（识别正常生长状态与灾害扰动），到极端天气的精准预报、宇宙天体活动与现象出现的深度物理解读，这一理论的建立，让我们从对混沌的被动承受，转向对自然规律的主动把握。在小到生命、大到宇宙的广阔研究领域中，它既是摆脱混沌困境的核心工具，也是探索自然秩序的重要路径——这便是建立这一理论的根本意义所在。

值得关注的是，随着人工智能（AI）技术的快速发展与广泛应用，物理分解法的实践价值会得到进一步放大。自然系统中蕴含的海量混沌态信息，因数据规模庞大、结构复杂难以高效处理，而AI技术凭借强大的数据挖掘与分析能力，能够在物理分解法的框架下，精准分离出系统的正常态与异常态。这一融合应用不仅能更高效地发现潜在的极端事件信号，还能为极端事件的预报预警与科学处理（如人体病灶的靶向治疗）提供有力支撑，让物理分解与正交碰撞理论更好地服务于人类生产生活，守护生命安全与生态稳定。

参考文献

[1] Qian WH (2017) Temporal Climatology and Anomalous Weather Analysis. Springer Atmospheric Sciences, 687 pp.

[2] Qian WH, Du J, Ai Y (2021) A review: Anomaly-based Versus Full-field-based Weather Analysis and Forecasting. Bull Am Meteorol Soc 102(4): E849–E870.

[3] Qian WH and Du J (2023) A Study on the Plate Tectonics in the Early Earth Period Based on the Core-Magma Angular Momentum Exchange. Open J Geology 13: 598-621.

[4] Qian, W.H. (2025) Expanding Force in Astronomy and Updraft Force in Meteorology. J Modern Physics 16: 267-285.