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1917年5月23日 (1917年4月3日)

混沌理论之父,蝴蝶效应的发现者罗伦兹出生

    历史上的今天 2010-05-19

    在103年前的今天,1917年5月23日(农历1917年4月3日),美国气象学家爱德华·诺顿·罗伦兹出生。

“一只南美洲亚马逊河流域热带雨林中的蝴蝶,偶尔扇动几下翅膀,可以在两周以后引起美国得克萨斯州的一场龙卷风。”这就是著名的蝴蝶效应,由美国气象学家罗伦兹1963年提出。

美国气象学家爱德华·诺顿·罗伦兹出生

1917年5月23日,罗伦兹出生在美国康涅狄格州哈特福德。他在很小的时候就喜欢科学。“孩提时,我最有兴趣做的事就是关心天气的变化。”他后来写道。罗伦兹考入达特茅斯学院,1938年毕业。1940年又毕业于哈佛大学,并获得数学专业学位。第二次世界大战期间,罗伦兹作为气象预报员曾在美国陆军航空兵团服役。1943年,罗伦兹获麻省理工学院理科硕士学位。1948年,进入该学院任教,从事气象学领域研究。1963年,罗伦兹获美国气象学会迈辛格奖,同年提出“混沌理论”(Chaos Theory)。

美国气象学家爱德华·诺顿·罗伦兹出生

1961年冬季的一天,罗伦兹在电脑上进行关于天气预报的计算。在一次科学计算时,罗伦兹对初始输入数据的小数点后四位进行了四舍五入。为了更细致地考察结果,他把一个中间解0.506取出,提高精度到0.506127再送回。然后他穿过大厅下楼,去喝咖啡。一小时后他回来时,发生了出乎意料的事。前后计算结果偏离了十万八千里!前后结果的两条曲线相似性完全消失了。根据常识,同样的程式和数据显然会导致同样的結果。但是第二次的预报结果与上一次大不一样。开始他认为是电脑的故障,排除了这种可能后,他发现,他输入的不是完整的数据。再次验算发现电脑并没有毛病,罗伦兹发现,由于误差会以指数形式增长,在这种情况下,一个微小的误差随着不断推移造成了巨大的后果。这个远小于千分之一的差异,造成第二次的仿真结果和第一次完全不同。

罗伦兹在美国的《气象学报》上发表了题为“确定性的非周期流”的论文,提出了在确定性系统中的非周期现象。1963年,罗伦兹提出了“混沌理论”,这一理论拥有巨大的影响力,其主要精神是,在混沌系统中,初始条件的微小变化,可能造成后续长期而巨大的连锁反应。

美国气象学家爱德华·诺顿·罗伦兹出生

罗伦兹从这个惊人的结果发现,长期的准确预测天气是不可能的。罗伦兹最初使用的是“海鸥效应”来形容这种现象,不过这并不是一个完全新颖的比喻:爱伦•坡曾声称人们挥着手可能会影响大气条件,但罗伦兹是第一次对此进行系统思考并形成新的理论的人。在以后的演讲和论文中他用了更加有诗意的蝴蝶。1979年于华盛顿的美国科学促进会的演讲上,罗伦兹问道:“一只蝴蝶在巴西扇动翅膀会在德克萨斯引起龙卷风吗?”“蝴蝶效应”因此得名。蝴蝶扇动翅膀的运动,导致其身边的空气系统发生变化,并产生微弱的气流,而微弱的气流的产生又会引起四周空气或其他系统产生相应的变化,由此引起一个连锁反应,最终导致其他系统的极大变化。罗伦兹称之为混沌学。

美国气象学家爱德华·诺顿·罗伦兹出生

当然,“蝴蝶效应”主要还是关于混沌学的一个比喻,以此比喻长时期大范围天气预报往往因一点点微小的因素造成难以预测的严重后果。微小的偏差是难以避免的,从而使长期天气预报具有不可预测性或不准确性。长时期大范围天气预报是对于地球大气这个复杂系统进行观测计算与分析判断,它受到地球大气温度、湿度、压力诸多随时随地变化的因素的影响与制约,可想其综合效果的预测是难以精确无误的、蝴蝶效应是在所难免的。进而揭示出混沌现象具有不可预言性和对初始条件的极端敏感依赖性这两个基本特点,他于是认定这为:“对初始值的极端不稳定性”,即:“混沌”,又称“蝴蝶效应”。

美国气象学家爱德华·诺顿·罗伦兹出生

我们人类研究的对象还涉及到其他复杂系统(包括“自然体系”与“社会体系”),其内部也是诸多因素交相制约错综复杂,其“相应的蝴蝶效应”也是在所难免的。“今天的蝴蝶效应”或者“广义的蝴蝶效应”已不限于仅对天气预报而言,而是一切复杂系统对初值极为敏感性的代名词或同义语。其含义是:对于一切复杂系统,在一定的“阈值条件”下,其长时期大范围的未来行为,对初始条件数值的微小变动或偏差极为敏感,即初值稍有变动或偏差,将导致未来前景的巨大差异,这往往是难以预测的或者说带有一定的随机。

美国气象学家爱德华·诺顿·罗伦兹出生

蝴蝶效应通常用于天气、股票市场等在一定时段难以预测的比较复杂的系统中。在社会学、经济学、心理学中,蝴蝶效应都会带来巨大的影响。1998年亚洲发生的金融危机和美国曾经发生的股市风暴实际上就是经济运作中的“蝴蝶效应”;1998年太平洋上出现的“厄尔尼诺”现象就是大气运动引的“蝴蝶效应”。2003年,美国发现一宗疑似疯牛病案例,马上就给刚刚复苏的美国经济带来一场破坏性很强的飓风。当一个人小时候受到微小的心理刺激,长大后这个刺激会被放大,电影《蝴蝶效应》中作了jīng彩诠释。

从罗伦兹第一次发现混沌现象至今,关于混沌的研究一直是科学家、社会学家、人文学家所关注的。研究混沌,其实就是发现无序中的有序。但今天的世界仍存在着太多的无法预测,混沌,这个话题也必将成为全人类性的问题。希望有更多人能走进混沌之门,以更深邃的眼光来审视这个世界。

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