蝴蝶效应（1）

    亚马逊河流域热带雨林中的一只蝴蝶，不经意间翅膀扇动几下，半个月后，可能会引起美国德克萨斯州一场龙卷风。

    蝴蝶与龙卷风

    20世纪60年代初，气象学家爱德华?洛伦兹（edward lorenz，麻省理工学院教授，混沌学开创人之一）利用计算机进行“数值天气预报”的试验。他在试验中发现，一旦输入的资料存在细微的差异，得到的结果就会差异很大，正所谓“差之毫厘，谬以千里”。因此，说明了“数值天气预报”在一定程度上也存在不可预测性。

    洛伦兹基于这个发现以及广泛的研究后，在1972年12月29日的华盛顿美国科学发展学会上，发表了一篇题为《可预测性：一只在巴西翩翩起舞的蝴蝶可否在德克萨斯州引起龙卷风？》的演讲。

    演讲的主旨是：亚马逊河流域热带雨林中的一只蝴蝶，不经意间翅膀扇动几下，半个月后，可能会引起美国德克萨斯州一场龙卷风。为什么呢？蝴蝶翅膀的运动，引起微弱气流的产生，而微弱气流又会引起它四周空气及其它系统发生相应的变化，连锁反应由此发生，最终导致整个天气系统的极大变化。

    洛伦兹的演讲及所得出的结论给人们留下了难以磨灭的印象。“蝴蝶效应”之说由此广泛传播，声名大作。

    蝴蝶效应揭示了一个深刻的道理：事物发展结果与事物存在的初始条件之间具有极为敏感的相互性，也就是说，一旦事物的初始条件出现了细微的改变或差别，将可能会导致事物结果发生极大的差异。

    我们可以用下面的这首民谣形象化地对蝴蝶效应加以说明：

    丢失一个钉子，坏了一只蹄铁；

    坏了一只蹄铁，折了一匹战马；

    折了一匹战马，伤了一位骑士；

    伤了一位骑士，输了一场战斗；

    输了一场战斗，亡了一个帝国。

    马蹄铁上一个钉子的丢失，是一种微乎其微的变化，但连锁反应导致了一个帝国的灭亡。

    这个民谣也说明了“蝴蝶效应”在军事和政治领域中的应用。

    不要觉得有点小题大做，也不要觉得这是不可思议的事情。你必须明白，这就是事实。而且，你必须注意，细微变化将可能造成不可估量的后果，防微杜渐是必要的。

    天气预报

    在洛伦兹的那篇具有划时代意义的演讲发表之后，传媒上关于“蝴蝶效应”的报道可谓五花八门。有趣的是，大多传媒的报道却简单地宣布“天气预报是不可能的”。其实，洛伦兹所要表达的意思不是那么简单，其本意是天气预报并不能做到准确无误。

    “天有不测风云”，从某个角度也说明了天气的变化，预报不一定能够准确地反映。这句话到底有没有科学依据？天气预报的不准确，是计算出现问题呢，还是科学存在不足之处呢？

    尽管二十世纪的科学家提出了相对论及量子力学等新理论，但是，在一般日常生活中——天气预报、建筑设计、飞机工程等，牛顿力学依然适用。而且，随着近年来信息技术的迅猛发展，建立在以牛顿力学为基础上的模拟天气变化的“数值天气预报”，已经成为天气预测的主要方法。

    科学家们为了使“数值天气预报”更加准确，做了不少努力：一方面深入研究大气复杂微妙的变化，力求更加准确地反应事物本来的变化，例如台风的内部结构，雷暴的生成消失过程等。另一方面加强气象观测，以便能够获得更多的气象资料，例如增加观测点，发展卫星及雷达技术等。

    事实并未能如科学家所愿。由于气候变化由诸多因素造成的，所以其变化是十分复杂的，充满了诸多的不确定性。在现实的天气预测中，输入的初始条件（影响天气变化的因素条件）总是有所侧重的取舍，但是，被舍去的初始条件可能会对预测天气具有重大意义，依此做出的天气预测结果可想而知——可能会导致错误的结论。

    所以，洛伦兹认为，尽管拥有高速计算机和精确的测量数据（温度、气压、卫星风云信息等），获得长期准确的天气预报是存在一定难度的。

    洛伦兹用超人的智慧将影响天气的500万个变量压缩到3个变量，用数学家的严谨与敏锐，科学地证明了一个简单的三阶非线性系统就能出现“混沌”（chaos），让人心悦诚服地相信天气系统是混沌的。

    奇妙的混沌

    什么是混沌呢？科学家眼里的混沌又是什么呢？

    混沌的原意是指杂乱无章、无序而混乱的状态。但是，科学家认为，混沌在表象上看是没有规律可循、不可预测的，实际上透过表象，仍有自己的规律，而且这个规律是可以循例的。同时，科学家给混沌下了个严谨的定义：混沌是指发生在确定性系统中的貌似随机的不规则运动。一个确定性理论描述的系统，其行为却表现为不确定性——不可重复、不可预测，这就是混沌现象。

    于是，以寻求混沌现象的规律并加以处理和应用为主要任务的混沌学应运而生。

    混沌学研究在20世纪60年代悄然兴起，并渗透到物理学、化学、生物学、生态学、力学、气象学、经济学、社会学等诸多领域，成为一门新兴学科。

    麻省理工大学的天文学家和计算机专家也指出：太阳系是不可预测的，在任何时候，我们根本无法推算出有关行星的速度及准确位置，根据经典力学计算出的结果是不可信的。这和洛伦兹的长期准确的天气预报是不可能的结论不谋而合。</p>

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