蝴蝶扇动翅膀,真的能引发龙卷风吗?

中国的《礼记·经解》说过:“君子慎始 , 差若毫厘 , 谬以千里 。 ”这本是警世之言 , 类似的现象也常发生在科学领域之中 , 例如1962年发现的“蝴蝶效应” 。
爱德华·诺顿·罗伦兹 , 美国的气象学家 , 被称为混沌理论之父 , 也是“蝴蝶效应”的发现者 。
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爱德华·诺顿·罗伦兹
蝴蝶扇动翅膀,真的能引发龙卷风吗?】他自小喜欢科学 , 最感兴趣的就是天气变化 。 1938年他从达特茅斯学院毕业 , 1940年进入哈佛大学获得数学第二专业的学位 , “二战”期间 , 作为气象预报员 , 在美国陆军航空兵团服役 。 1943年获得麻省理工学院理科硕士学位后 , 罗伦兹留校任教并从事气象研究 , “蝴蝶效应”的发现就从这里开始 。
为了研究全球气象规律 , 罗伦兹提出了一个简化的数学模型 , 这是一个具有三个变量的微分方程 , 后来被称为罗伦兹方程 。
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罗伦兹方程
根据这个方程组 , 他使用计算机对全球天气进行模拟运算 。 一开始 , 他在方程的初始条件中 , 输入了一个只保留到小数点后第三位的数据 , 即0.506 , 得出了一个气象的预测结果 。 为了找到更精确的结果 , 他又把这个初始数据增加到小数点后的第六位 , 即0.506127 , 希望预测得更准确些 。 由于计算机运算要等待一段时间 , 他出去喝了一杯咖啡 。 等他回来时 , 出乎意料的事情发生了 , 新的结果与他的期望大相径庭 , 不仅没有更精确 , 反而面目全非 。 他重新检查了方程与数据 , 甚至连计算机也检查了一遍 , 一切运转正常 。
通过这一奇异的现象 , 罗伦兹有了一个新发现 , 有些问题对最初的数据非常敏感 , 始端的微小变化将对后果产生不可估量的影响 。 这表明 , 在客观事物的发展中 , 既有规律可循的因素 , 又存在着不可预测的变数 。 在一定的条件下 , 这些变数会影响到全局 。 这正应了中国的那句古话“差若毫厘 , 谬以千里” 。
罗伦兹对这一现象做了详细的论证 , 于1962年11月18日 , 写出论文 , 题目是“确定性的非周期流” , 这篇论文于1963年1月7日刊登在美国《气象学报》上 。
这篇论文指出 , 在一些既不是完全周期性 , 也不是完全随机性的事物里 , 事情的演变规律对最初的条件非常敏感 , 细微的一点改动将可能影响到全局的变化 。 由于当时计算机描述的无规律气象图线像一只蝴蝶 , 罗伦兹就把这一现象叫做“蝴蝶效应” 。 从“蝴蝶效应”伊始 , 以气象为主题 , 他开始了对混沌现象的研究 。
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无规律气象图线
1972年12月29日 , 罗伦兹在美国科学促进学会第138次会议上 , 发表题为“蝴蝶效应”的演说 。 他从所发现的“蝴蝶效应”起 , 提出了混沌学的概念 , 并一语双关地为混沌学提出了一个貌似荒诞的例子:在巴西有一只蝴蝶拍打翅膀 , 能在美国得克萨斯州引发一场龙卷风 。 他的这一说法给人印象深刻 , 最初一刹那 , 人们会嘲笑这件事荒唐 , 然而仔细推敲 , 这一说法却令人着迷 , 不仅在于大胆的想象力 , 更在于其深刻的科学内涵与哲学魅力 。
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图源pexls
“蝴蝶效应”也时刻提醒着人们 , 如果一个微小的机制不加以适度的引导和调节 , 就有可能成为一个“坏的开端” , 最终构成对整个社会的巨大危害;同样 , 如果调节得当 , 正确疏导 , 再经过一段时间的努力 , 就可能产生激励社会前进的轰动效应 。 对于“蝴蝶效应” , 中国有很多的成语加以告诫 , 在西方也有类似的顺口溜:
丢了一根钉子 , 坏了一个马蹄;
坏了一个马蹄 , 折了一匹战马;
折了一匹战马 , 伤了一位战士;
伤了一位战士 , 输了一场战斗;
输了一场战斗 , 亡了一个帝国 。
“一根钉子”与“帝国存亡”之间 , 就如同“巴西蝴蝶”与“得州龙卷风”一样 , 它们之间的联系看似“荒唐” , 但在混沌系统中 , 它们就具有“蝴蝶效应”的关系 。
混沌学所涉及的是一些非线性的现象 , 这些现象不完全有规律 , 但也不是完全没有规律 , 不是绝对有周期性 , 也不是完全没有周期性 。
在实际生活里 , 例如人口流动、气候变化、股票市场、商品销售、市场价格、星体运行、生物进化、战争局势、车况物流、甚至人的行为等 , 都是一些非线性现象 。 伴随计算机科学的发展 , 混沌学已经发展成为一门影响深远、发展迅速的学科 。