Kan man regne baglæns på bordtennis?

Henning Djursing spørger, om man kan beregne en bevægelse baglæns til dens udgangspunkt:

"Der tales meget om computersimulering vedr. fremtiden: vejrprognoser, skak osv. Men hvad med retrograd simulering? F.eks. Hvis du slipper en håndfuld bordtennisbolde i et rum. På et givet tidspunkt, hvor boldene stadig er i bevægelse, tager du minimum 3 billeder, hvorved alle faktorer registreres - herunder bl.a. boldenes acceleration. Kan du da få en computer til at beregne forløbet tilbage til udgangspunktet - i hånden. Eller hvad med baglæns vejrprognoser - der har man jo facitlisten?"

Poul-Henning Kamp, FreeBSD committer og blogger på ing.dk, svarer:

Kan man rekonstruere en flok hoppende bordtennisboldes udgangspunkt? (Tegning: Lars Refn)

"Svaret er et klart nej med en temmelig omfattende fodnote, der siger det stik modsatte.

Det klare nej kommer fra Heisenbergs ubestemthedsrelation, der sætter en kvantemekanisk nedre grænse for, hvor præcist man kan vide noget om tingenens tilstand, som dermed begrænser, hvor præcist man kan regne på fysiske simulationer, uanset om man regner fremad eller bagud.

Den omfattende fodnote er, at statistikken er nådesløs, men den er ikke ondsindet.

Selv om der i princippet er et uendeligt antal mulige fortider for dine tre bordtennisbolde, er langt de fleste af disse vildt usandsynlige, f.eks alle dem, hvor det er en meteor, der slår bordtennisboldene ud af hånden på dig til at begynde med.

Hvis man kører en masse simulationer, hvad enten forlæns eller bagud, hvor man varierer de faktorer, man ikke kan kende præcist, omkring deres middelværdi, vil man efterhånden opbygge en sandsynlighedsfunktion for hvilke resultater (eller udgangspunkter), der er mest sandsynlige - og hvis man er heldig, stikker et meget lille antal af dem langt ud fra resten.

John Von Neuman og Stanislaw Ulam, der først kom på denne ide, døbte den "Monte Carlo Metoden" fordi man, hvis man holder øje med rouletten længe nok, vil kunne se om der bliver snydt med den, uden nogen sinde at have adgang til at undersøge den fysisk.

Problemet med Monte Carlo metoden er, at man skal køre tusinder eller millioner simulationer.

Hvis modelsystemet er simpelt, som f.eks det oprindelige spørgsmål der inspirerede dem: neutron-spredning i fissile materialer, er det nemmere og hurtigere at køre tusinder af simple modeller, end at beregne den komplekse analytiske sandsynlighedsfordeling, der den dag i dag bedømmes som umulig at regne ud.

Men hvis modellen er kompleks, som f.eks. en vejr- eller klimamodel, er det pludselig rigtig mange computere (=penge), der skal til.

I de senere år er f.eks ECMWF og muligvis også DMI begyndt at bruge såkaldte "ensemble modeller", som fundamentalt set er Monte Carlo
metoden med 10-100 delkørsler. ECMWF har dokumenteret gode
kvalitetsløft.

Her er et eksempel hvor jeg selv har brugt Monte Carlo metoden til at designe et specielt elektronisk filter:

http://www.version2.dk/artikel/9469-alea-iacta-est."

Dokumentation

Læs og stil spørgsmål til Scientariet

Spørg Scientariet

Du kan spørge om alt inden for teknologi og naturvidenskab. Redaktionen udvælger indsendte spørgsmål og finder den bedste ekspert til at svare – eller sender spørgsmålet videre til vores kloge læsere. Klik her for at stille dit spørgsmål til Scientariet.

Kommentarer (14)

Nu gælder usikkerhedsrelationen som sådan ikke for makroskopiske objekter som bordtennisbolde over tidsperioder så begrænsede som her hvor "boldene stadig er i bevægelse", så det er nok lidt irrelevant i denne sammenhæng.

At man så alligevel ikke kan regne tilbae i tiden ud fra et fotografi skyldes at bevægelsesenergien fra det oprindelige boldfald er fordelt ud som bevægelse i luften og opvarmning af bolde og omgivelser. Temperaturenergien der er ikke-reversibel og strømninger som ikke måles med kameraet.

  • 0
  • 0

Lad os starte med en enkelt bold, som kastes ind i et rum og springer frem og tilbage mellem de forskellige vægge, loftet og gulvet.

Hvis du på et tidspunkt kender boldens position, retning og hastighed kan du både forudsige boldens position i fremtiden og i fortiden, nøjagtig som du spørger om.

Når bolden flyver frit gennem luften, er dens bane i følge fysikken injektiv. Det betyder to ting:

1) Hvis bolden lige nu har en bestemt (position, hastighed, retning), så findes der 1 og kun 1 mulig (position, hastighed, retning) som den kan opnå på et givet senere tidspunkt.

2) Hvis bolden lige nu har en bestemt (position, hastighed, retning), så findes der 1 og kun 1 mulig (position, hastighed, retning) som den kan kunne have haft på et givet tidligere tidspunkt.

Dette var for en frit flyvende bold i luften. Men enhver reflektion fra væggene er også en injektiv funktion - en bestemt indgangsvinkel kan kun få 1 udgangsvinkel, og omvendt.

Bolden påvirkes også af især luftmodstand og energitab ved reflektion. Begge disse er injektive og kan beregnes.

Men, verden er ikke ideel - boldene er ikke helt runde og materialerne er ikke perfekt ensartede. Derfor vil beregningerne med tiden blive unøjagtige. Muligvis vil man i praksis kun kunne regne et par sekunder frem eller tilbage.

Hvis man specialfremstiller boldene i et laboratorium med meget stor præcision (det er eksperimentalfysikere meget dygtige til), kan kan selvfølgelig forudsige det længere.

I øvrigt er det tilstrækkeligt kun at tage 2 fotos i stedet for 3, for at finde boldens position, hastighed og retning, og dermed regne frem og tilbage.

  • 0
  • 0

Vil det så betyde, at en dygtig spiller, i det lange løb altid vinder penge, hvis spilleren er dygtig nok?

Det afhænger af spillet, læs Morgenstern & Von Neumans bog om spilleteorier, det er hammerinteressant!

Poul-Henning

  • 0
  • 0

I øvrigt er det tilstrækkeligt kun at tage 2 fotos i stedet for 3, for at finde boldens position, hastighed og retning, og dermed regne frem og tilbage.

Du kan kun nøjes med 2 fotos hvis du på forhånd kender tyngdekraftsvektoren.

Poul-Henning

  • 0
  • 0

At man så alligevel ikke kan regne tilbae i tiden ud fra et fotografi skyldes at bevægelsesenergien fra det oprindelige boldfald er fordelt ud som bevægelse i luften og opvarmning af bolde og omgivelser.

Man kan måle på det hele. Pointen er, at der altid er en usikkerhed i målinger, som medfører en vis usikkerhed om, hvorfra og hvordan bolden kom. Jo længere bagud i tiden, man beregner, jo større usikkerhed om position og fart og retning og spin og "sang" (gyngninger og vibrationer i objektets geometri).

Eksempel: Nu og da indstikker en detektiv en stang i et skudhul i en mur, for at kigge sig bagud, om hvorhen stangen peger. Der er da ofte temmelig mange muligheder, fordi usikkerheder spiller ind. Men dog alligevel et peg.

  • 0
  • 0

Man kan måle på det hele.

Når bolden støder sammen med noget og der dannes varme, og denne varme diffuderer ud i materialet, så tabes der information.

  • 0
  • 0

Når bolden støder sammen med noget og der dannes varme, og denne varme diffuderer ud i materialet, så tabes der information.

Selv i et perfekt elastisk sammenstød ville der tabes information.

Vores oplysninger om de elektroner der er mekanikken i sammenstødet er begrænset af Heisenbergs Ubestemthedsrelation og derfor kan vi kun foretage et statistisk informeret gæt på hvorledes sammenstødet vil foregå på makroskopisk skala.

Poul-Henning

  • 0
  • 0

Hvis man nu ved en del mere end de tre billeder, kan man lave nogle ganske spetakulære ting. Jeg ser snooker på TV, der anvender man Hawk-eye, hvis kommentatoren (BBC) ellers finder det relevant. Den har adgang til de samme billeder som TV-sereren, og kan ud fra det gøre flere ting. Bl.a. kan den genspille et stød, hvor man støder anderledes end sådan som spilleren netop har stødt.
Når man støder i snooker, kan man ved at støde ballen "off-center" bl.a. styre hvor cue-ballen ender efter stødet. Hawk-eye kan både vise hvor spilleren stødte og hvor han skulle have stødt, for at opnå det som han gerne ville (input fra kommentatoren, om hvor cue-ballen skulle have endt).
Ifølge wikipedea bruges hawk-eye også til at afgøre tenniskampe, men det er som jeg forstår det mere en gen-simulering, så man kan følge om bolden er ude eller inde ved at se den samme situation fra en anden vinkel.
På BBC er det tidl. prof. spillere kommenterer, og der er en stemning blandt dem, at Hawk-eye er "lidt for dygtig", men gennerelt giver den reel brugbar information. (snooker spilles med maksimalt 22 baller, og et stød på det plane bord sker altid mod den samme ball (cue-ballen). Bordet er beklædt med et klæde, og der er ikke blot "simpel plangeometri", at regne ud hvor ballerne ender, idet ballerne roterer, mens de "skøjter" hen over klædet, så det er altså ikke blot indgangsvinkel=udgangsvinkel:-).

  • 0
  • 0

Man kan regne tilbage, nøjagtigt lige saa godt som man kan regne frem. Newtons love gælder begge veje og det gør Heisenbergs usikkerhedsrelation ogsaa.

Det skrev jeg også i mit orindelige svar :-)

Poul-Henning

  • 0
  • 0

Newtons love gælder begge veje og det gør Heisenbergs usikkerhedsrelation ogsaa.

Det er korrekt, hvis vi antager at vi har den samme information. Nu var spørgsmålet dog baseret på billedtagning. Det giver information når boldene slippes og falder, men det giver ingen brugbar information når du skal regne baglæns fra bolde der hviler på jorden med svagt øget temperatur og luft i bevægelse. Dette optræder ikke på et gængs billede. Selv termofotografering giver ikke denne information. Den er både teoretisk og praktisk tabt.

  • 0
  • 0

PHKs bemærkning i det oprindelige svar om "en meteor, der slår bordtennisboldene ud af hånden på dig" ser bort fra, at det vel er en underforstået antagelse i spørgsmålet, at alting foregår inde i et afgrænset, kendt rum. På den måde synes jeg ikke, at bemærkningen er relevant i forhold til diskussionen om sandsynlighed og Heisenberg.

  • 0
  • 0