Ludvig Lorenz and His Non-Maxwellian Electrical Theory of Light

Maxwell’s celebrated electromagnetic theory of light dates from 1865. Two years later, without appealing to the ether as a carrier of light waves, the Danish physicist Ludvig Lorenz (1829–1891) independently published another electrical theory of light based on optical equations and the novel idea of retarded potentials. In spite of resting on a very different conceptual foundation, Lorenz’s theory led to almost the same results as Maxwell’s. But whereas Maxwell’s field theory heralded a revolution in physics, Lorenz’s alternative was largely forgotten and soon relegated to a footnote in the history of physics. In part based on archival material and other sources in Danish, this paper offers a detailed contextual account of Lorentz’s theory and its reception in the physics community. Moreover, it includes a brief introduction to other of Lorenz’s scientific contributions and discusses the reasons why his electrical theory of light failed to attract serious interest.     

Lorenz系统的可预报性

定义一个动态窗口，以Lorenz模型为预报方程，通过对落入动态窗口中的粒子数和平均预报X分量随积分时间演化规律的分析，从另一个角度初步研究了Lorenz系统的可预报性问题，并讨论了高斯白噪声对系统可预报性的影响.结果表明，落入动态窗口中的粒子数在一定程度上反映了系统的可预报性，处于不同区域的初值集合预报时限各不相同，且不同区域内的初值对于小扰动的敏感程度不一样；对于不同区域内的初值集合，高斯白噪声对系统的可预报时限的影响各不相同. 关键词： 可预报性 Lorenz 动态窗口     

Circuit bounds on stochastic transport in the Lorenz equations

In turbulent Rayleigh–Bénard convection one seeks the relationship between the heat transport, captured by the Nusselt number, and the temperature drop across the convecting layer, captured by the Rayleigh number. In experiments, one measures the Nusselt number for a given Rayleigh number, and the question of how close that value is to the maximal transport is a key prediction of variational fluid mechanics in the form of an upper bound. The Lorenz equations have traditionally been studied as a simplified model of turbulent Rayleigh–Bénard convection, and hence it is natural to investigate their upper bounds, which has previously been done numerically and analytically, but they are not as easily accessible in an experimental context. Here we describe a specially built circuit that is the experimental analogue of the Lorenz equations and compare its output to the recently determined upper bounds of the stochastic Lorenz equations [1]. The circuit is substantially more efficient than computational solutions, and hence we can more easily examine the system. Because of offsets that appear naturally in the circuit, we are motivated to study unique bifurcation phenomena that arise as a result. Namely, for a given Rayleigh number, we find a reentrant behavior of the transport on noise amplitude and this varies with Rayleigh number passing from the homoclinic to the Hopf bifurcation.     

A hyperchaos generated from Lorenz system

This paper presents a four-dimension hyperchaotic Lorenz system, obtained by adding a nonlinear controller to Lorenz chaotic system. The hyperchaotic Lorenz system is studied by bifurcation diagram, Lyapunov exponents spectrum and phase diagram. Numerical simulations show that the new system’s behavior can be convergent, divergent, periodic, chaotic and hyperchaotic when the parameter varies.     

在非线性三波耦合的不稳定饱和过程中出现的Lorenz型混沌

我们证明了在等离子体中，三波耦合方程同构于Ｌｏｒｅｎｚ型方程，预言了在此过程中会出现Ｌｏｒｅｎｚ型混沌     

外强迫对Lorenz系统初值可预报性的影响

利用强迫Lorenz模型, 研究了外强迫对Lorenz系统混沌性质、 映射结构及初值可预报性的影响, 并以海表温度为大气运动的外强迫, 用实际大气海洋资料分析了外强迫对大气可预报性的影响. 结果发现, 系统混沌现象的出现与外强迫有关, 外强迫改变了Lorenz系统的运动规律, 使围绕两奇怪吸引子运动的随机性减少. 考虑外强迫后, 系统运动轨迹的概率密度函数呈不对称的双峰结构, 且Lorenz映射由无外强迫时的一个尖点分离为两个尖点, 尖点的偏离方向和偏离位置分别与外强迫的正负和大小有关. 外强迫可减小Lorenz系统对初值的敏感性, 提高系统的初值可预报性, 尤其是外强迫越大, 可预报性提高的幅度也越大. 这些结果在不同强度海表温度强迫下的实际大气可预报性分析中得到了证实, 即海温异常越大, 实际大气变量的可预报性也越大.     

The fifth dimension: Theodor Kaluza's ground‐breaking idea

Theodor Kaluza (1885–1954) attracted the attention of the physical community since 1921 with his unified field theory of gravitation and electromagnetism in five dimensions. Despite Einstein's great interest in Kaluza's theory, 50 years elapsed before it contributed toward a paradigm shift in modern theoretical physics. The biography of this still unknown scientist is briefly presented along with an outline of his work in physics. A short history of the theories of unification and the dimensionality of space‐time is followed by a discussion of the significance of Kaluza's five‐dimensional unified theory in modern physics from the point of view of superstring and M‐theory.     

超混沌Lorenz系统

对Lorenz系统添加一个非线性控制器，使之构成四维超混沌Lorenz系统.利用分岔图、Lyapunov指数谱及相图分析方法，研究了超混沌Lorenz系统的运动规律.数值模拟结果表明：新引入参数处于不同取值范围时，超混沌Lorenz系统可以分别呈现收敛、发散、周期、混沌及超混沌动力学行为. 关键词： Lorenz系统 超混沌 Lyapunov指数 分岔     

单参数Lorenz混沌系统的电路设计与实现

为了研究混沌系统的性质及其应用,采用分立元件设计并实现了单参数Lorenz混沌系统,系统参数与电路元件参数一一对应.通过调节电路中的可变电阻,观察到了该单参数系统的极限环、叉式分岔、倍周期分岔和混沌等动力学现象,以及该系统由倍周期分岔进入混沌的过程.研究了分数阶单参数Lorenz系统存在混沌的必要条件,找出了分数阶单参数Lorenz系统出现混沌的最低阶数以及最低阶数随系统参数变化的一般规律.电路仿真与电路实现研究表明,单参数Lorenz系统具有物理可实现性、丰富的动力学特性以及理论分析与实验结果的一致性.     

Lorenz方程中两种尺度的相互作用

在Lorenz方程中的混沌区域，存在着两种尺度的相互作用.其中代表大尺度运动的Rayleigh数r决定空气中小尺度的对流和湍流运动，而对流和湍流运动又对大尺度运动具有反馈作用，两者的相互作用最终使r值减小，空气运动进入一种定常状态.在反馈过程中，垂直热通量xy及垂直温度梯度z的变化是决定r变化的主要原因，并且反馈的最终结果表现出突变的特征.     

Analogy between the Lorenz strange attractor and a bistable stochastic oscillator

The relation between the aperiodic solution of the Lorenz model and that of a stochastic anharmonic oscillator is explored. The stochastic oscillator is constructed by replacing (t) in the Lorenz model by a stochastic variable(t) of specified statistics. The resulting system is of course not isomorphic to the Lorenz model, but does share with it a number of statistical properties. Thus, within the confines of these measures the two systems are physically very similar.     

一类扰动洛伦兹系统的解法

研究了一个大气物理中洛伦兹系统的求解问题.首先利用广义变分原理构造一组变分迭代,其次决定系统的初始近似,最后通过变分迭代方法得到了对应模型的各次近似解.广义变分迭代方法是一个解析方法,得到的解还能够继续进行解析运算. 关键词： 洛伦兹方程 变分原理 近似解     

Lorenz混沌系统的分析与电路实现

利用Matlab的数值计算和Multisim的电路模型分析和实现著名的Lorenz混沌系统,观察Lorenz混沌吸引子,加深对混沌现象的认识,可将混沌理论与实验引入到大学物理实验教学项目中。     

Lorenz系统长程相关性研究

以典型的混沌系统——Lorenz系统为研究对象,运用去趋势涨落分析方法对不同初值和不同参数条件下系统的长程相关性进行研究.结果表明：系统长程相关性与系统初值所处相空间位置有关,初值越靠近不稳定平衡点,系统长程相关性越强,其标度指数α就越大,系统可预测性也就越好.当系统完全处于混沌状态时,随着控制参数r逐步增大其动力学结构的混沌特性更加明显,标度指数α都呈下降趋势,系统长程相关性逐渐减弱,系统可预测性也随之减弱.这揭示了长程相关性与系统可预测性的对应关系.对系统进行 关键词： Lorenz系统 长程相关性 去趋势涨落分析 可预测性     

Effective computation of the multivariable Alexander polinomial of Lorenz links

Given two different representations of a Lorenz link, we compare how they affect the computation of the multivariable Alexander polynomial. We also compare the Alexander polynomial with the trip number and genus. Our experimental results lead us to conjecture that, for Lorenz knots, the Alexander polynomial is an equivalent invariant to the pair (trip number, genus). Finally, we give a counterexample in the case of Lorenz links.     

广义洛伦兹磁力的定义及证明

给出了广义洛伦兹磁力的定义和证明,论证指出电场既不是动磁场直接产生的更不是变磁场产生的;先有感应电流I,后有电压Uab和电场Eab。解决了愣茨与法拉第之间的原因与结果的哲学争议问题;在当时没有发现电子的情况下,法拉第的漩涡电场及其电动势都是虚构的;完整洛伦兹磁力是电磁感应的物理本质。     

一种改进的高性能Lorenz系统构造及其应用

Lorenz系统是一种最具有代表性、典型性的混沌模型之一, 一直被众多学者深入研究和广泛应用.为了获取结构和动力学行为更为复杂的混沌吸引子, 不断改善Lorenz系统已成为混沌动力系统研究中的重要课题之一. 为此, 本文提出了一个具有复杂系统动力学行为的改进的Lorenz系统, 并将其用于图像信息安全保护. 在现有各种改进的Lorenz系统的基础上, 首先通过增加Lorenz系统的控制参数和改变非线性项相结合的方法构造出一种新的Lorenz 混沌系统; 其次采用微分动力系统方法深入研究该系统并获得与Lorenz系统、Bao系统、Tee系统和Y系统等具有相似的耗散性、对称性、稳定性, 以及更加复杂的混沌特性和动力学行为, 同时分析该系统所产生随机序列具有良好的相关性和复杂性; 最后将其所产生的离散伪随机序列用于图像置乱和扩散加密, 通过对图像加密结果的相邻像素相关性分析、灰度空间相关特性不确定性分析、抗差分攻击以及密钥敏感性测试, 表明本文所构造的改进的Lorenz系统应用于图像加密能获得相对较高的安全性.     

基于Lorenz映射的混沌系统分支变换预报规律研究

尽管Lorenz系统具有混沌和非周期性质, 但其分支变换是可预报的.本文以强迫Lorenz系统为数学模型, 基于Lorenz映射, 研究了混沌系统分支变换的预报规律, 将原有关于分支开始变换条件和新分支持续时间的两条一般规律扩展到了3条, 并首次分析了系统当前状态达到变换条件所需时间的预报规律, 从而为预报混沌系统非周期演变提供了另一途径.结果表明: 映射尖点位置为分支变换的临界值, 当变量z超过相应临界值时, 系统在当前分支的运动即将结束, 下一循环将跳跃到另一分支运动; 系统在同一分支循环的次数随极值z_max单调减小, z_max 越小, 达到变换条件需循环的次数越多; 系统在新分支持续的时间是先前分支最大极值z_M 的单调增加函数, z_M越大, 持续时间增加的幅度也越大.此外, 外强迫影响着混沌系统分支变换的预报规律, 其不但使正负分支的变换条件出现差异, 且与新分支持续时间的增加速率和达到变换条件所需时间的递减速率密切相关. 关键词： Lorenz映射 分支变换 外强迫 预报规律     

利用单模激光Lorenz系统实现混沌反控制

利用Lyapunov函数方法，对混沌反控制问题进行了研究.以单模激光Lorenz系统和描述心脏搏动的Bonhoeffer-Van der Pol系统为例，设计了一种控制器，成功地使Bonhoeffer-Van der Pol系统混沌化.给出了控制器的具体设计方案以及单模激光Lorenz系统与Bonhoeffer-Van der Pol系统状态之间误差系统的结构.仿真结果表明，在控制器的作用下，Bonhoeffer-Van der Pol系统所有状态变量严格地跟踪了单模激光Lorenz系统的混沌轨迹，对应的相空间中Bonhoeffer-Van der Pol系统的轨迹也由极限环转变为与单模激光Lorenz系统的轨迹完全相同的混沌吸引子，Bonhoeffer-Van der Pol系统严格地跟踪了单模激光Lorenz系统混沌的动态行为.     

Global stabilization of a Lorenz system

In this paper,using feedback linearizing technique,we show that a Lorenz system can be considered as a cascade system.Moreover,this system satisfies the assumptions of global stabilization of casecade systems.Thus coninuous state feedback control laws are proposed to globally stabilize the Lorenz system at the equilibrium point.Simulation results are presented to verify our method.This method can be further generalized to other chaotic systems such as Chen system,coupled dynamos system,etc.