海上“巨獸”瘋狗浪

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在很長一段時間里，瘋狗浪僅僅是水手們的傳說，直到最近幾十年，這只神秘海上“巨獸”的存在才得以“實錘”。

1995年元旦期間，一個高分辨率的快照捕捉到了一個突兀的、聳立在海面上高達26米的海浪，這只“巨獸”以迅雷不及掩耳之勢襲擊了挪威北海的德羅普尼爾石油裝備系統(tǒng)，給了當?shù)卣两跉g慶節(jié)日氛圍中的人們當頭一棒。這只“巨獸”就是瘋狗浪。此后，研究人員確定，僅在20世紀下半葉，被瘋狗浪帶走的貨船就有20多艘，500多人為之喪生。

德羅普尼爾巨浪的現(xiàn)形刺激了物理學家，他們立志要查清楚這些龐然大物究竟是如何形成的。經(jīng)過長期研究，科學界產(chǎn)生了兩種關(guān)于瘋狗浪演化的思想流派。一種觀點認為是波浪疊加，即一組聳起的浪頭以不同的速度前移，也就是幾個獨立的波以不同的速度傳播，但波的組成部分始終是起獨立作用，某一時刻，大量波浪恰巧重疊起來，就會產(chǎn)生瘋狗浪;另一種觀點認為波浪相互作用的方式比較復(fù)雜，它們可以相互作用，它們之間的能量也可以相互轉(zhuǎn)化，這些相互作用可以協(xié)力產(chǎn)生瘋狗浪。前者為線性加法，后者為非線性聚焦。

現(xiàn)實中，這兩種解釋都有道理，但是，線性加法雖然能解釋一部分瘋狗浪，可是低估了特殊情況下的可能性，所以非線性聚焦更加有效。在某些情況下，兩種解釋機制如果達成統(tǒng)一，理論上就會將波浪推至一個令人難以置信的高度。

不過，最近一群應(yīng)用數(shù)學家另辟蹊徑，轉(zhuǎn)而研究如何預(yù)測瘋狗浪。紐約大學埃里克·范登·艾恩登教授建立了一個統(tǒng)計框架，開發(fā)出“一刀切”的模型。這一模型預(yù)測了任何瘋狗浪發(fā)生的概率，卻不在乎它是怎么發(fā)生的。

艾恩登解釋說，統(tǒng)一描述瘋狗浪的訣竅是理解極端罕見的事件有其自己的邏輯，你可以用最不罕見事件的概率，非常準確地算出罕見事件的概率，也就是概率論中的大偏差理論。艾恩登研究小組推斷，波濤洶涌的大洋正是見證大偏差理論的完美劇場。一個小小的波浪可能由多種方式形成，而瘋狗浪尤為特殊。如果你碰巧看見，你將會意識到只有天時、地利、人和的時候，才能造就這樣一個巨浪。

為此，艾恩登團隊用數(shù)值模擬的波浪測試了他們的理論框架，讓計算機生成滿足了某些海洋狀態(tài)的隨機波浪，然后觀察每片海洋如何演變與非線性薛定諤方程的聯(lián)系，并使用大偏差理論預(yù)測哪片海洋最有可能產(chǎn)生巨型波浪。正如他們希望的那樣，他們發(fā)現(xiàn)對于給定類型的數(shù)值模擬海洋，只有在一種特定模式時才會從初始波紋變成瘋狗浪。

之后，艾恩登團隊進行了實體波浪實驗，在愛丁堡大學的海洋研究機構(gòu)“重建”了德羅普尼爾巨浪。該研究設(shè)施由近270米長的水槽和168個造浪器等組成，每個海洋都由造浪器隨機產(chǎn)生。研究小組記錄了典型波浪高度的高階統(tǒng)計數(shù)據(jù)，不僅證明了一些瘋狗浪是線性的，一些是非線性的，也有兩者共存的，還與大偏差理論高度吻合。

大偏差理論可以歸結(jié)為優(yōu)化問題，該問題可以預(yù)測從最初的漣漪到最終巨浪的原型路徑。整個過程像演電影一樣逐漸展開，只有按照這一路徑才能達到最終的高度。而研究表明，實驗中的最高波浪與該框架的預(yù)測完全吻合：在巨大的數(shù)據(jù)中，僅僅產(chǎn)生了300多個可視為瘋狗浪的波浪，而絕大多數(shù)情況下沒有產(chǎn)生。

然而，該框架也有局限性，因為它沒有考慮洋流和風等現(xiàn)象的影響，并且允許波浪增長到任意高度，這是其依賴非線性薛定諤方程的結(jié)果。不過，研究者說，他們的工具是可以遷移的，并且非線性薛定諤方程可以被替換為其他波浪理論。隨著理論家們不斷完善工具，研究者們已經(jīng)開始在南極附近的海域檢驗大偏差理論的正確性。

研究人員的終極目標是開發(fā)出一種預(yù)測瘋狗浪的裝置。當大偏差理論經(jīng)過修改適用于開放海洋后，這種裝置可以幫助水手們在瘋狗浪萌芽狀態(tài)時就發(fā)現(xiàn)它，并及時避開災(zāi)難。