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二重振り子とカオス〜決まっているのに予測できない運動

糸におもりを つ吊るした振り子は、次にどこへ行くか目で追えます。同じ振れ幅で、同じ周期で、いつまでも同じ動きを繰り返す。

そのおもりに、もう 本の糸でおもりを吊るします。とたんに追えなくなる。回ったり跳ねたり、 度と同じ動きをしません。

方程式は 本増えただけです。しかも書き下せる。決まっているのに読めない、という状態がここから始まります。

小さく振れば読める

振れ幅が小さいうちは、 を に置きかえられます[4]。この置きかえで、運動方程式が 次式になる。

次式なら解が重ね合わせられます。 つのおもりの動きは、 種類の単振動の足し算として書ける。

つ目は、 つのおもりが同じ向きに振れる型。もう つは、逆向きに振れる型です。周期はそれぞれ別の値になります。

どんな振り方をしても、この つの重ね合わせにしかなりません。初期条件を変えても、混ぜる割合が変わるだけ。

大きく振ると置きかえが効かなくなる

振れ幅を大きくすると、 と の差が無視できなくなります。方程式が 次でなくなり、重ね合わせが使えない。

本目の振り子が支点より上まで回り込むようになると、決定的に変わります。回るのか戻るのかが、ほんのわずかな差で分かれる。

大学の演示装置でも、線形化を切るかどうかで動きが変わることが示されています[3]。 の近似を入れたままなら、カオスは現れません。

近似を外した瞬間に出てくる。カオスは方程式の非線形性から来ています。

差は指数で育つ

つの二重振り子を、ほとんど同じ角度から離します。差が ラジアンだとしましょう。

しばらくは重なって見えます。やがて少しずれ、ずれが目に見えるようになり、最後はまったく別の動きになる[3]。

育ち方は足し算ではなく掛け算です。初めの差を として、時間とともに次のように広がります。

をリアプノフ指数といいます[1]。正なら差が広がり、負なら縮む。

例:指数の値を読む

強制振動する振り子で計算した例があります。駆動の強さを変えると、指数の符号が変わる[1]。

駆動の強さリアプノフ指数運動
整った周期運動
カオス

正の側で、初期条件の差が 万分の だったとします。差が まで育つのにかかる時間は次のようになる。

秒で予測が意味を失います。 分半しか先が読めない。

精度を上げても稼げない

観測の精度を 倍に上げたとします。読める時間はどれだけ延びるか。

秒だけです。精度を 倍にしても、 分足らずしか稼げません。

指数で育つものに対しては、精度を上げても効果が対数でしか返ってきません。ここがカオスのいちばんきついところです。

線形な系では、初期条件の誤差は時間に比例してしか育ちません。精度を 倍にすれば、読める時間も 倍になる。

カオスでは なので、 倍の精度が ぶんの時間にしかならない。桁を稼いでも足し算でしか返らない。

カオスは乱数ではない

読めないからといって、でたらめに動いているわけではありません。方程式は完全に決まっていて、同じ初期条件を入れれば同じ運動が出ます[3]。

計算機で同じ数値を 回入れれば、まったく同じ軌跡を描く。乱数を使っていないのだから当然です。

読めない理由は、初期条件を無限の精度で書けないことにあります。測定にも計算にも桁の限りがあり、その限りが指数で拡大される。

乱数

同じ条件から始めても、次に何が出るか決まっていない

カオス

同じ条件から始めれば必ず同じ動きになる。条件を完全に書けないだけ

決定論的カオスと呼ばれるのは、この つを区別するためです。決まっていることと予測できることは、別の話だった。

見分ける道具

整った運動とカオスを分ける方法がいくつかあります[2]。

リアプノフ指数を測る。正なら軌道が離れていくのでカオスです。
ポアンカレ断面をとる。周期運動なら点がいくつか並び、カオスでは面が埋まります。
分岐図を描く。制御する量を変えていくと、周期が倍々に分かれてカオスへ入る様子が見えます。

ポアンカレ断面は、運動を毎周期 回だけ記録する方法です。周期運動なら、記録される点が同じ場所に重なる。

カオスでは点が広がり、拡大しても細かい構造が出てきます。同じ形が入れ子になっている図形になる。

同じ話が別の場所にも出る

同じ性質は振り子だけのものではありません。気象、生物の個体数、流体の乱れなど、非線形の系に広く現れます[2]。

天気予報の当たる日数に限りがあるのも、この構造が理由です。計算機を速くしても、伸びる日数は対数でしか増えません。

太陽系の惑星の位置も、数千万年より先は同じ理由で計算できません。 体なら永久に書けたものが、 体以上では有限の未来までになる。

方程式が非線形になる

初期条件の差が指数で育つ

有限の精度では有限の未来しか読めない

確かめ方

手元で試すなら、同じ装置を 回、できるだけ同じ角度から離してみます。どこまで重なるかを見る。

数値計算なら、初期角度を か所だけ小数点以下で変えて 本走らせます。差の対数を時間に対して描くと、しばらく直線に乗る。その傾きがリアプノフ指数です[1]。

もう つ、 を に置きかえた式でも同じことをします。今度は差が広がりません[3]。

非線形を外すとカオスが消える。この対比が、原因がどこにあるかを直接示しています。

リアプノフ指数が の系で、測定精度を 倍に上げました。予測できる時間はどれだけ延びますか。

  • 秒ほど
  • 倍になる
  • 変わらない
__RESULT__

差の育ち方が なので、 倍の精度は を で割った時間にしかなりません。 秒です。

振り子を つ足す。それだけで、書き下せる方程式から書き下せない未来が出てきます。

参考

Douglas Cline. *4.6: Differentiation Between Ordered and Chaotic Motion*/04:_Nonlinear_Systems_and_Chaos/4.06:_Differentiation_Between_Ordered_and_Chaotic_Motion). Variational Principles in Classical Mechanics, University of Rochester / Physics LibreTexts.
Douglas Cline. *4.S: Nonlinear Systems and Chaos (Summary)*/04:_Nonlinear_Systems_and_Chaos/4.S:_Nonlinear_Systems_and_Chaos_(Summary)). Variational Principles in Classical Mechanics, University of Rochester / Physics LibreTexts.
Doppelpendel. Virtuelles Physiklabor, Fachbereich Physik, Universität Kassel.
Jimmy Roussel. *Oscillateurs mécaniques*. Femto-Physique, cours de mécanique classique.
おもりを 1 つ吊るした振り子は、次にどこへ行くか目で追えます。その先にもう 1 つ吊るすと追えなくなる。方程式は書き下せるのに、初期条件のわずかな差が $e^{\lambda t}$ で育つためです。リアプノフ指数が 0.154 の系なら、100 万分の 1 の差が 90 秒で 1 まで広がる。精度を 1000 倍に上げても、読める時間は 45 秒しか延びません。カオスが乱数と違うところ、$\sin\theta$ を $\theta$ に置きかえるとカオスが消えるところまで。