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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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