混沌理論之父，蝴蝶效應的發現者羅倫茲出生

在103年前的今天，1917年5月23日(農曆1917年4月3日)，美國氣象學家愛德華·諾頓·羅倫茲出生。“一隻南美洲亞馬遜河流域熱帶雨林中的蝴蝶，偶爾扇動幾下翅膀，可以在兩週以後引起美國得克薩斯州的一場龍捲風。”這就是著名的蝴蝶效應，由美國氣象學家羅倫茲1963年提出。1917年5月23日，羅倫茲出生在美國康涅狄格州哈特福德。他在很小的時候就喜歡科學。“孩提時，我最有興趣做的事就是關心天氣的變化。”他後來寫道。羅倫茲考入達特茅斯學院，1938年畢業。1940年又畢業於哈佛大學，並獲得數學專業學位。第二次世界大戰期間，羅倫茲作為氣象預報員曾在美國陸軍航空兵團服役。1943年，羅倫茲獲麻省理工學院理科碩士學位。1948年，進入該學院任教，從事氣象學領域研究。1963年，羅倫茲獲美國氣象學會邁辛格獎，同年提出“混沌理論”(ChaosTheory)。1961年冬季的一天，羅倫茲在電腦上進行關於天氣預報的計算。在一次科學計算時，羅倫茲對初始輸入資料的小數點後四位進行了四捨五入。為了更細緻地考察結果，他把一箇中間解0.506取出，提高精度到0.506127再送回。然後他穿過大廳下樓，去喝咖啡。一小時後他回來時，發生了出乎意料的事。前後計算結果偏離了十萬八千里!前後結果的兩條曲線相似性完全消失了。根據常識，同樣的程式和資料顯然會導致同樣的結果。但是第二次的預報結果與上一次大不一樣。開始他認為是電腦的故障，排除了這種可能後，他發現，他輸入的不是完整的資料。再次驗算發現電腦並沒有毛病，羅倫茲發現，由於誤差會以指數形式增長，在這種情況下，一個微小的誤差隨著不斷推移造成了巨大的後果。這個遠小於千分之一的差異，造成第二次的模擬結果和第一次完全不同。羅倫茲在美國的《氣象學報》上發表了題為“確定性的非週期流”的論文，提出了在確定性系統中的非週期現象。1963年，羅倫茲提出了“混沌理論”，這一理論擁有巨大的影響力，其主要精神是，在混沌系統中，初始條件的微小變化，可能造成後續長期而巨大的連鎖反應。羅倫茲從這個驚人的結果發現，長期的準確預測天氣是不可能的。羅倫茲最初使用的是“海鷗效應”來形容這種現象，不過這並不是一個完全新穎的比喻：愛倫?坡曾聲稱人們揮著手可能會影響大氣條件，但羅倫茲是第一次對此進行系統思考並形成新的理論的人。在以後的演講和論文中他用了更加有詩意的蝴蝶。1979年於華盛頓的美國科學促進會的演講上，羅倫茲問道：“一隻蝴蝶在巴西扇動翅膀會在德克薩斯引起龍捲風嗎?”“蝴蝶效應”因此得名。蝴蝶扇動翅膀的運動，導致其身邊的空氣系統發生變化，併產生微弱的氣流，而微弱的氣流的產生又會引起四周空氣或其他系統產生相應的變化，由此引起一個連鎖反應，最終導致其他系統的極大變化。羅倫茲稱之為混沌學。當然，“蝴蝶效應”主要還是關於混沌學的一個比喻，以此比喻長時期大範圍天氣預報往往因一點點微小的因素造成難以預測的嚴重後果。微小的偏差是難以避免的，從而使長期天氣預報具有不可預測性或不準確性。長時期大範圍天氣預報是對於地球大氣這個複雜系統進行觀測計算與分析判斷，它受到地球大氣溫度、溼度、壓力諸多隨時隨地變化的因素的影響與制約，可想其綜合效果的預測是難以精確無誤的、蝴蝶效應是在所難免的。進而揭示出混沌現象具有不可預言性和對初始條件的極端敏感依賴性這兩個基本特點，他於是認定這為：“對初始值的極端不穩定性”，即：“混沌”，又稱“蝴蝶效應”。我們人類研究的物件還涉及到其他複雜系統(包括“自然體系”與“社會體系”)，其內部也是諸多因素交相制約錯綜複雜，其“相應的蝴蝶效應”也是在所難免的。“今天的蝴蝶效應”或者“廣義的蝴蝶效應”已不限於僅對天氣預報而言，而是一切複雜系統對初值極為敏感性的代名詞或同義語。其含義是：對於一切複雜系統，在一定的“閾值條件”下，其長時期大範圍的未來行為，對初始條件數值的微小變動或偏差極為敏感，即初值稍有變動或偏差，將導致未來前景的巨大差異，這往往是難以預測的或者說帶有一定的隨機。蝴蝶效應通常用於天氣、股票市場等在一定時段難以預測的比較複雜的系統中。在社會學、經濟學、心理學中，蝴蝶效應都會帶來巨大的影響。1998年亞洲發生的金融危機和美國曾經發生的股市風暴實際上就是經濟運作中的“蝴蝶效應”；1998年太平洋上出現的“厄爾尼諾”現象就是大氣運動引的“蝴蝶效應”。2003年，美國發現一宗疑似瘋牛病案例，馬上就給剛剛復甦的美國經濟帶來一場破壞性很強的颶風。當一個人小時候受到微小的心理刺激，長大後這個刺激會被放大，電影《蝴蝶效應》中作了精彩詮釋。從羅倫茲第一次發現混沌現象至今，關於混沌的研究一直是科學家、社會學家、人文學家所關注的。研究混沌，其實就是發現無序中的有序。但今天的世界仍存在著太多的無法預測，混沌，這個話題也必將成為全人類性的問題。希望有更多人能走進混沌之門，以更深邃的眼光來審視這個世界。