[转贴] 一杯咖啡”喝”出混沌理论一个”安静的怪杰”

"混沌理论",大学时代喜欢的自然科学理论之一,後来也做为许多事情的思考模式。感觉这和海森堡量子理论中的"测不准定理"一样,有异曲同工之妙,对人类社会生活许多面向,都可以从中找到一些解释,即使还是有许多牵强之处。
 
"混沌理论"後来为"复杂理论"(Complexity)所吸收,成为次级理论,但没有"混沌理论","复杂理论"的普及,可能至今还不为人所知呢。
 
 
 
“洛伦茨……结束了笛卡尔宇宙观统治的时代,继相对论和量子力学之后,开启了20世纪第三次科学革命。”
—麻省理工学院大气学教授伊曼纽尔
 
“他的混沌理论继牛顿之后,为人类自然观带来了最为戏剧性的改变。”
—1991年“京都奖”评委会致辞
 
1最初提出“蝴蝶效应”并创立混沌理论的美国气象学家爱德华·洛伦茨16日因癌症在马萨诸塞州的家中去世,享年90岁。
 
洛伦茨1917年5月23日生于美国康涅狄格州,1940年在哈佛大学取得数学硕士学位。1943年和1948年,他又在麻省理工学院取得气象学硕士和博士学位。
 
洛伦茨1948年进入麻省理工学院任教,从事气象学领域研究,直至1987年退休。洛伦茨于上世纪60年代提出,一个动态系统(例如地球大气)中的微小变化可能触发整个系统的巨大变化。
 
1961年冬天,洛伦茨用计算机作天气仿真运算。为了省事,他从原先输出的计算结果中选出了一行数据——相当于某一天的天气状况——作为初始条件输入了程序。计算机从那一天的数据开始了运行,洛伦茨则离开了办公室去喝咖啡。中国的神话故事中有所谓“洞中方一日,世上已千年”的传说,洛伦茨的一杯咖啡就“喝”出了那样的境界。一个小时后,当他回到实验室时,仿真系统已经运行了两个月。
 
洛伦茨一看结果,不禁吃了一惊:新的计算结果与原先的大相径庭。这为什么令人吃惊呢?因为这次计算采用的初始条件乃是旧的数据,既然初始条件是旧的,得到的结果怎么会大相径庭呢?原来,第二次运算时他为了省事,直接从上一次仿真的中段开端,输入第一次仿真结果打印出来的数据,让计算机运算。这样从中段开始与完全从头开始的差别在于,打印单上只显示到第一次的计算机运算结果小数点后3位的0.506,而非完整的小数点后6位0.506127。因此,当洛伦茨把以前输出的数据作为初始条件输入时,它与原先计算中保留了十几位有效数字的数据相比,已经有了微小的偏差。洛伦茨的计算表明,在他的仿真系统中,这些微小的偏差每隔四天就会翻一番,直至新旧数据之间的相似性完全丧失为止。最初远小于千分之一的差异,最终却造成了第二次的仿真结果和第一次完全不同,这正是蝴蝶效应。
 
由于这种效应的存在,洛伦茨意识到长期天气预报是注定不可能具有高精度的。因为人们永远不可能得到绝对精确的初始条件,而且由于任何计算设备的内存都是有限的,我们在计算过程中也永远不可能保留无限的精度,所有这些误差都会因为“蝴蝶效应”的存在而迅速扩大,从而不仅使一切高精度的长期气象预测成为泡影,而且也葬送了建立在决定论思想上的对物理现象进行精确预言的梦想。
 
洛伦茨把这个发现写成研究论文《确定性非周期流》并于1963年在《大气科学杂志》上发表,称初始条件下的微小变化可能带动系统中长期的巨大连锁反应,并由此衍生出混沌理论。但是,作为一名年轻的助理教授,他的论文一开始并未获得外界的注意,直到1972年。当年,洛伦茨又推出了一篇论文:《可预测性:巴西一只蝴蝶的翅膀拍动会造成得州的飓风吗?》。文中指出,像巴西一只蝴蝶扇动翅膀这个看似微不足道的现象,可改变大气运动的方式,引发美国得州出现龙卷风。此后,“蝴蝶效应”广为人所知。
 
个人故事:一个“安静的怪杰”
 
洛伦茨共有1子2女和4个孙子女,他的妻子简·洛根·洛伦茨已于2001年去世。
 
洛伦茨的友人和门生都形容他是个“安静的怪杰”、“所见过最有组织的人”,洛伦茨的同事说他惜字如金,除了他的妻子,其他人要让他开口说话难如登天,但也称赞他是个亲切且谦虚的人。作为洛伦茨的同事,伊曼纽尔教授就表示:“他是一位完美的绅士,他的正直和谦逊为后代立下了榜样。”
 
洛伦茨喜欢徒步旅行和越野滑雪,过去他每到一个地方参加科研会议,都会在会议地点附近的山区进行一次徒步旅行。去世前的两周半,他还进行了一次徒步旅行。
 
洛伦茨的女儿谢丽尔·洛伦茨告诉美国媒体称,洛伦茨在去世前仍热心于科研事业,在去世前一个星期时刚刚与同事合作写完了一篇论文。
 
混沌理论
 
“混沌理论”是在数学和物理学中,研究非线性系统在一定条件下表现出的现象的理论。1963年洛伦茨提出了该想法,以图解释非线性系统具有的多样性和多尺度性。“混沌理论”最大的贡献是用简单的模型来推出明确的非周期性结果。该理论认为在混沌系统中,初始条件十分微小的变化经过不断放大,对其未来状态会造成极其巨大的差别。例如马蹄铁上的一个钉子是否会丢失,本是初始条件十分微小的变化,但其“长期”效应却是一个帝国存与亡的根本差别。这就是所谓“蝴蝶效应”。
 
蝴蝶效应
 
2 “蝴蝶效应”是混沌理论的一部分,是指在一个动力系统中,初始条件下微小的变化能带动整个系统的长期而巨大的连锁反应。这是一种混沌现象,“一只蝴蝶在巴西轻拍翅膀,会使更多蝴蝶跟着一起振翅。最后将有数千只的蝴蝶都跟着那只蝴蝶一同挥动翅膀,其所产生的飓风可以导致一个月后在美国得州发生一场龙卷风。”
 
“蝴蝶效应”的得名来自洛伦茨模型中一个奇怪的吸引子,它的形状从一定的角度看很像一只展翅的蝴蝶。
 
不过“蝴蝶效应”这一名称的最终风行,在很大程度上要归因于美国科普作家格雷克的科普作品《混沌:开创新科学》。这部作品被译成了多国文字,对混沌理论在世界范围内的热播起了极大的促进作用。这部作品第一章的标题就是“蝴蝶效应”。2004年,蝴蝶效应甚至被搬上了银幕,成为一部科幻影片的片名。
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