改变人类生活的18条法则--蝴蝶与龙卷风

蝴蝶与龙卷风

20世纪60年代初，气象学家爱德华洛伦兹（EdwardLorenz，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12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。

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