17蝴 蝶 效 应（1）

    一只亚马逊河流域热带雨林中的蝴蝶，偶尔扇动几下翅膀，两周后，可能在美国德克萨斯州引起一场龙卷风。

    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。他发觉，只要输入的资料存在微小的差异，计算的结果就会出现极大分别，“差之毫厘，谬以千里”正是形容这种情况。这说明，“数值天气预报”在一定程度上也具有不可预测性。

    基于这个发现和广泛的研究，洛伦兹1972年月29日在华盛顿的美国科学发展学会上发表了一篇演说，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？》。

    演说的大意为：一只亚马逊河流域热带雨林中的蝴蝶，偶尔扇动几下翅膀，两周后，可能在美国德克萨斯州引起一场龙卷风。原因在于，蝴蝶翅膀的运动，导致其身边的空气系统发生变化，并引起微弱气流的产生，而微弱气流的产生，又会引起它四周空气或其他系统产生相应的变化，由此引起连锁反映，最终导致天气系统的极大变化。

    洛伦兹的演讲和结论给人们留下了极其深刻的印象。从此以后，所谓“蝴蝶效应”之说就不胫而走、声名远扬了。

    蝴蝶效应说明，事物发展的结果，对初始条件具有极为敏感的依赖性，初始条件的极小偏差，将会引起结果的极大差异。

    我们可以用广泛流传的一首民谣对蝴蝶效应做出形象的说明，这首民谣说：

    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。

    马蹄铁上的一个钉子是否丢失，本是一种十分微小的变化，但其“长期”效应是一个帝国的存与亡。这就是“蝴蝶效应”在军事和政治领域中的应用。

    是不是有点不可思议？但是事实就是如此，一些看似极微小的事情却有可能造成非常严重的后果，因此在任何事情上都应做到防微杜渐。

    天气预报可信吗

    有趣的是，在洛伦兹发表划时代的论文之后，传媒上就充满了关于“蝴蝶效应”五花八门的报道，它们似乎都简单地宣布“天气预报是不可能的”。但洛伦兹本人的思想并非如此简单，他的意思是天气预报并不能做到完全准确。

    当天气急剧变化，预报又未能准确反映，大家很自然会想起“天有不测风云”这句话。究竟这话有没有科学基础？天气预报往往不够准确，这是计算出现问题，还是科学尚有不足之处呢？

    虽然二十世纪的科学出现了相对论及量子力学等新理论，但牛顿力学在一般日常生活上——包括天气预报、建筑设计、飞机工程等——仍然适用。近年来，随着信息技术的高速发展，以牛顿力学为基础来模拟天气的变化——一般称为“数值天气预报”，已经成为预测天气的一个主流。

    为了使数值天气预报更加准确，科学家双管齐下：一方面深入研究大气的复杂微妙的变化，例如台风的内部结构，雷暴的生成消失过程等，务求精益求精；另一方面加强气象观测，例如增加观测点，发展卫星及雷达技术等，从而获得更多的气象资料。

    其实，由于气候变化是十分复杂的，所以在预测天气时，输入的初始条件不可能包含所有的影响因素（通常的简化方法是忽略次要因素，保留主要因素），而那些被忽略的次要因素却可能对预报结果产生重大影响，导致错误的结论。

    由此，洛伦兹认定，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），也难以获得长期准确的天气预报。

    洛伦兹用超人的毅力将影响天气的500万个变量压缩到3个变量。以数学家的眼光和风格，实实在在地证明一个简单的三阶非线性系统就能出现“混沌”（chaos），从而令人信服地证明天气系统是混沌的。

    奇妙的混沌

    什么是混沌呢？

    目前，科学家给混沌下的定义是：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。

    混沌的原意是指无序和混乱的状态，这些表面上看起来无规律、不可预测的现象，实际上有它自己的规律，混沌学的任务就是寻求混沌现象的规律加以处理和应用。

    20世纪60年代混沌学的研究热悄然兴起，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指出，太阳系是不可预测的，在任意时刻，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。这与洛伦兹关于准确的长期天气预报是不可能的结论一致。

    其他像太阳黑子的增减、传染病的发病规律、精神病的发病机理、脑电波和心率的变异、湍流、股票行情的变化、汇率的波动，以及许多化学反应和化学过程等都存在着混沌现象。

    天体物理学家试图用混沌学探索宇宙起源，医学家试图用混沌学研究心脏运动的规律，经济学家也试图用混沌学来预测股市行情，社会学家则试图用它去认识和评价政治危机。一些未知的复杂过程和现象，都能从混沌学那里找到答案。这正是混沌学具有诱人的魅力之处。</p>

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