为了这种巨型海浪，科学家操碎了心

流氓波是一种神秘的巨浪。人们对这一现象背后的原理提出了两种不同的观点。最近，一个来自概率论的新理论有望预测所有的疯狂波。

查理·伍德

翻译:xux

审校:曹馨予

很长一段时间，疯狂的狗浪只存在于水手的传说中。直到最近几十年，“真正的锤子”才存在。

1978年平安夜，一艘货船“慕尼黑号”在北大西洋遭遇了一场猛烈的海洋风暴。尽管船长无法避开风暴，但风暴预计不会对这艘261米长的货船构成威胁。午夜，慕尼黑号向一艘大型游轮发送了一条无线电信息:“旅途愉快，很快就会见面。”仅仅三个小时后，无线电信号变成了呼救声，然后一片寂静。这艘西德船及其28名船员失踪，只留下四艘救生艇、三个集装箱和一些漂浮设备。

一条线索让调查人员困惑不解。慕尼黑号上的一艘救生艇最初被固定在离水20米远的船边，但被一股巨大的力量拉下，冲向船尾。有谣言说一个巨浪从上到下落到甲板上，但是这样的巨浪在当时是不可想象的。西德海事调查委员会最终宣布，“沉船的原因无法解释”。

事实上，学者们只是在最近几十年才记录下它，但是水手们已经知道它几个世纪了:海洋比我们知道的要危险得多。研究人员想破解各种关于疯狗波的神话和传说。他们想看到的是，波浪的高度会像人的高度一样呈正态分布——大部分数据是围绕平均高度收集的，一些分散的值出现在钟形曲线的细长尾巴上。当然，你可能会发现一个波浪的高度是其邻近波浪的两倍，但前提是你要长时间观察海洋。

1995年元旦的一次事件粉碎了这一希望，当时一个疯狂的狗波袭击了挪威北海的德拉普纳石油设施。这个平台装有指向下方的激光器。记录显示，一个26米高的波浪在海面上突然升起，而大多数波浪高达11.8米:这是一个被高分辨率快照捕捉到的海怪。无可辩驳的证据把海洋神话变成了事实。从那以后，研究人员已经确定，仅在20世纪下半叶，疯狗波就可能夺取了22艘货船，夺走了500多条生命。

德拉普纳的巨浪刺激了物理学家，他们决心找出这些孤独的巨人来自哪里。研究人员提出了两个主要的理论，每个理论都可以描述实验室水池中的大浪是如何形成的。然而，他们仍在努力决定哪一种理论在真正的海洋中更重要。

现在，一群应用数学家找到了另一种方法来研究如何预测结果——他们想发明一种可以预测巨浪的装置，例如，告诉船长“在接下来的15分钟内，将有13%的机会遇到30米高的波浪”。这项工作告诉我们，所有种类的巨浪可能有相同的基本特征。

纽约大学库朗数学学院的应用数学家埃里克·范登-艾因登帮助建立了统计框架。他说:“你可能认为一个30米高的疯狗波会以多种不同的方式汹涌而来，但答案是否定的。”

波叠加

在观察到德拉普纳疯狗波之后，关于该波是如何进化的，出现了两个学派。

第一个是最简单的。首先，两个上升的波浪以不同的速度前进。当一个超过另一个，两者结合。如果大量的波碰巧同时重叠，就会有疯狗波，但是波的组成部分总是独立运作的。乔治亚理工学院的海洋工程师弗朗切斯科·费德勒将所谓的线性加法机制描述为“和海洋玩骰子”。

海洋学家长期以来一直使用这种方法来计算特定高度上波浪的概率，但这种预测方法仍有争议，因为它似乎低估了德拉普纳疯狗波这样的怪物的可能性。

北卡罗莱纳州海岸外的大西洋出现疯狗波

一些研究人员，如费德勒，认为传统方法可以被拯救。在2016年的一项研究中，他和他的同事在波动方程中加入了尖峰和圆形波谷，而不是将它们都视为平滑的正弦曲线。他们认为这足以解释所有的海浪。

然而，其他人认为最极端的波浪的原因不是那么直接。在水槽中，当两个长度相似的波浪并排行走时，能量会从一个波浪向另一个波浪泄漏。正如基本的海洋学模型——非线性薛定谔方程所描述的那样，单个的波将以复杂的非线性方式相互作用。(它与量子理论的明显联系不是偶然的，毕竟亚原子粒子的行为就像波一样。)在大多数情况下，这个方程不能完美求解，但数值研究表明，当条件合适时，波浪会自动聚集。艾登说:“他们有策划大交易的动力。”

但是这种被称为非线性聚焦的效应会是慕尼黑沉船的罪魁祸首吗？费德勒等线性波浪的支持者不这么认为。他们认为水箱中的波浪是有限的，但是大海中的波浪在聚集之前就已经分散了。其他研究人员说，我们对真正的海洋了解不够。他们说，一些风可能会造成类似于水箱中的情况，从而允许疯狂的狗波发生。

对疯狗波的两种看法

多年来，疯狗波理论一直被两种观点所主导。第一种观点是，加入独立波可以解释疯狂的狗波。第二种认为波的相互作用是复杂的。

线性叠加:一组独立的波以不同的速度传播。偶尔，会有许多峰重叠产生疯狂的狗波。

非线性聚焦:波可以相互作用，它们之间的能量可以相互转化。这些互动可以一起创造疯狂的狗波。

事实上，两种解释机制都是合理的。“在评估了数百份文件后，我们得出结论，决定性机制取决于当时的形势。”悉尼大学的波物理学家阿明·查布说。线性加法可以解释一些疯狂的波，但在特殊情况下低估了这种可能性，而非线性方法更有效。在某些情况下，两种解释机制是统一的，将波推到了难以置信的高度。

现在，研究人员可能不需要知道哪种解释机制是这种*的原因。艾登和他的同事开发了一个“一刀切”的统计模型，并于去年12月在PRX发布。这个模型预测遇到任何疯狂的狗波的概率，不管它们是如何发生的。没有参与这项研究的牛津大学流体力学教授顿·范·登·布雷默说:“这项研究结果对任何一种疯狂的狗波都是有效的。生成机制可以是线性模型、非线性模型，甚至是“人骑驴”。没关系。”

波动的一般理论

艾登解释说，对疯狗波进行统一描述的秘密在于理解极其罕见的事件有其自身的逻辑。想想赌博。赌场最好准备更多的钱，让某人用一个幸运数字连续赢得三场轮盘游戏，因为每50，000场轮盘游戏可能会产生一个三连胜。但是赌场不需要担心连续赢10场比赛，因为这需要平均100万亿次。聪明的是，你可以用最少罕见事件的概率来非常精确地计算罕见事件的概率，而不知道每一种可能性。

对于简单的赌场游戏来说，标准算法就足够了，但是上述思想抓住了概率论中大偏差理论(LDT)的精髓。这个理论致力于研究非常罕见的事件。此类事件发生的概率极低，但比下一个不太常见的情况要高得多。埃尔登说，大偏差理论允许标准统计中不存在的计算，就像微积分可以解决代数不能解决的问题一样。

研究小组得出结论，波涛汹涌的海洋是见证大偏差理论的完美舞台。一个小浪可以以多种方式形成，而疯狂的狗浪，顾名思义，特别特别。如果你碰巧看到它，你会意识到这样一个巨浪只能在正确的时间来自正确的地方——这就是海洋版的“三连冠”。其他进化过程在理论上可能是可以实现的(例如，连续10次获胜)，但不实际。为了预测一个普通波成为极端特殊情况的可能性，你需要找到一条特殊但不虚假的道路，在这条道路上没有什么能阻止它的形成。

首先，在2018年，数学家用数值模拟的波测试了他们的理论框架，并将大偏差理论应用于非线性薛定谔方程(NLSE)。他们要求计算机产生满足特定海洋条件的随机波，每组波的高度和波长都在特定范围内。然后，他们应用非线性薛定谔方程来观察每个海洋是如何进化的，并使用大偏差理论来预测哪一个海洋最有可能产生巨浪。正如他们所希望的那样，他们发现对于给定类型的数值模拟海洋，只有一种特定的初始波纹模式会变成疯狂的波浪。

1995年1月1日，挪威北海的德拉普纳石油平台记录了一个26米高的疯狗波。研究人员试图复制一个微型的德拉普纳波(左)，以了解导致其形成的条件。这项研究是在爱丁堡大学的弗洛瓦海洋研究所进行的，该研究所包括一个直径25米的水池，周围有168个造浪者(右)。

模拟波之后是固体波。数学家联系了意大利都灵大学的波物理学家米格尔·奥诺拉托，他在挪威一个近270米长的水槽中“重建”了疯狗波。其中，他证明了一些疯狗波是线性的，一些是非线性的，一些两者共存。

Honorato的数据集涵盖了所有种类的海洋(尽管是人工的和一维的)，每一种海洋都是由造波者随机生成的。对于每个实验，研究小组只记录高阶统计数据，例如典型的波高。

虽然这些统计数字很粗略，但已经足够了。大偏差理论归结为一个可以预测原型路径的优化问题——从最初的波动到最终的波动。整个过程像电影一样一帧接一帧地展开，只有沿着这条路走，才能到达最终的高度。研究人员发现，实验室中最高的波浪与框架的预测完全一致，从而支持了他们的假设，即最危险的波浪几乎没有第二种进化模式。沃里克大学的数学家、该论文的合著者托比亚斯·格拉夫克说:“如果这些事件发生，它们将遵循相同的轨迹。”

如果玩具船上的小水手已经在奥诺拉托的水箱里航行过，他们应该注意团队的预测。在绝大多数情况下，海洋不会产生任何足以被视为“疯狗”的波浪，但会产生300多种波浪，无论是线性的、非线性的还是两者的混合，它基本上都是根据大偏差理论的预测发展起来的。

这个框架也有它的局限性:它不能考虑洋流和风的影响，并且允许海浪发展到任何高度。这是它依赖于非线性薛定谔方程的结果。非线性薛定谔方程也没有考虑这些现象。费德勒说:“谢天谢地，海浪能破。你不想呆在非线性薛定谔方程的海洋里。”

研究人员表示，他们的工具是可移动的，非线性薛定谔方程可以被其他更奇特的波动理论所取代。艾登说:“这就像造一辆车。一辆车制造出来后，另一辆车也可以用同样的方法制造。”当务之急是取代模型的理论核心，使波浪在公海*传播，而不是局限在水槽中。

随着理论家们不断完善他们的工具，奥诺拉托正在为下一步做准备——实现更好的波浪测量。浮标和激光只能大范围测量一个点的升降，难以区分线性和非线性的形成过程。他们正在分析视频数据，并从7TB数据中提取船只的摆动和海水波动。奥诺拉托还开始在南极洲附近的水域测试大偏差理论的正确性。“这看起来很有希望，”他说。

面对即将到来的风暴，水手们没有太多时间来研究周围的海浪，但是新的框架代表着向长期目标迈出的一小步。长期目标是开发一种装置来预测疯狂的狗波，它可以发出警报并告诉你何时关闭舱门。当大偏差理论被修正并应用于开发海洋时，它可以帮助像慕尼黑号这样的船只在婴儿期发现疯狂的海浪。

原始链接:

http://www . quantamagazine . org/the-grand-unified-theory-of-rogue-waves-20200205/

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