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混沌理論之父——愛德華·諾頓·羅倫茲

愛德華諾頓羅倫茲(edward norton lorenz,1917— 2008) 美國氣象學家,混沌理論之父,蝴蝶效應的發現者。他說過一句很出名的話:一個蝴蝶在巴西輕拍翅膀,可以導致一個月后德克薩斯州的一場龍卷風。

1917年5月23日羅倫茲出生在美國西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。”他后來寫道。羅倫茲后考入達特茅斯學院,1938年畢業。1940年又畢業于哈佛大學,并獲得數學專業學位。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年獲美國氣象學會邁辛格獎,同年提出“混沌理論”(chaos theory)。 

1967年出版的《大氣環流的性質和理論》一書中,羅倫茲精辟地闡述了大氣環流研究工作的歷史發展、現狀和展望。1969年獲美國氣象學會羅斯比研究獎章。1972年提出“蝴蝶效應”(butterfly effect)。1973年獲西蒙斯紀念金獎。1975年他成為美國國家科學院院士。1983年獲得瑞典皇家科學院頒發的克拉福德獎(crafoord prize),這一獎項主要授予研究領域不在諾貝爾獎授獎范圍內,而確有突出成就的科學家。1987年退休。

1991年羅倫茲獲得地球和星體學方面的基礎科學“京都獎”(kyoto prize) ,評委會稱他的混沌理論“繼牛頓之后,為人類自然觀帶來了最為戲劇性的改變”。羅倫茲的妻子簡死于2001年,他們留有一子兩女。2008年4月16日因為癌癥在馬薩諸塞州的家中去世,享年90歲。羅倫茲還著有《動力學方程的最大簡化》《振蕩力學》《大氣環流的低階模式》《用大的數值模式進行大氣可預測性試驗》等 。

羅倫茲是個興趣十分廣泛的人,他喜歡越野滑雪、徒步旅行,去世前的一周,他還參加過一次徒步活動。盡管他給人的印象是嚴謹和注重細節,但事實上,羅倫茲自己的辦公室是一個非常混亂的空間,多年前,他的學生曾在其中發現了一堆讓人從未發表的論文和研究報告。羅倫茲的朋友和學生形容他是個“安靜的怪杰”、“所見過最有組織的人”,他的同事也說羅倫茲惜字如金,讓他開口說話難如登天,但他們都稱贊他是個親切且謙虛的人。

羅倫茲提出的混沌理論被認為是“對基礎科學產生了深遠的影響,是繼牛頓之后讓人類對自然的看法發生了翻天覆地的變化。”他的理論最為人稱道的是“蝴蝶效應”,即“巴西的蝴蝶拍一下翅膀,會對周圍的大氣系統產生一些作用,這些作用會不斷地被放大,最后可能會引發美國德州的龍卷風”。

它比喻長時期大范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后果.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。“廣義的蝴蝶效應”已不限于天氣預報,而是一切復雜系統對初值極為敏感性的代名詞或同義語,其含義是:對于一切復雜系統,在一定的“閾值條件”下,其長時期大范圍的未來行為,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性。

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,可能造成后續長期而巨大的連鎖反應。此理論最為人所知的論述之一是“蝴蝶效應”:“一只蝴蝶在巴西輕拍翅膀,會使更多蝴蝶跟著一起振翅,最后將有數千只的蝴蝶都跟著那只蝴蝶一同揮動翅膀,結果可以導致一個月后在美國德州發生一場龍卷風。” 羅倫茲發現“混沌理論”頗具戲劇性效果,也可以算是混混沌沌中發現的。

1961年,冬季的一天,羅倫茲在電腦上進行關于天氣預報的計算。為了考察一個很長的序列,他走了一條捷徑,沒有令計算機從頭運行,而是從中途開始。他把上次的輸出直接打入作為計算的初值,然后他穿過大廳下樓,去喝咖啡。一小時后他回來時,發生了出乎意料的事。 第一次的計算機運算結果,打印只顯示到小數點后三位的0.506,而非完整的小數點后六位:0.506127。這個遠小于千分之一的差異,造成第二次的仿真結果和第一次完全不同。

羅倫茲從這個驚人的結果發現,準確預測天氣只是人類的幻想,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,羅倫茲最初使用的是“海鷗效應”來形容這種現象,不過這并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并形成新的理論的人。他把這一發現寫成研究論文,于1963年出版,并于1972年正式提出“蝴蝶效應”這一著名的名詞。

另外羅倫茲所提出的“決定性混沌(deterministic chaos)”被指是自牛頓以來另一引人注目的人類自然觀的“進化論”,他因此于1991年獲頒基礎科學京都獎。羅倫茲認為:人類本身都是非線性的:與傳統的想法相反,健康人的腦電圖和心臟跳動并不是規則的,而是混沌的,混沌正是生命力的表現,混沌系統對外界的刺激反應,比非混沌系統快得多。科學家們對混沌理論評價很高,認為“混沌學是物理學發生的第三次革命”,它與相對論、量子力學同被列為20世紀的最偉大發現之一。

量子力學質疑微觀世界的物理因果律,而混沌理論則緊接著否定了包括宏觀世界拉普拉斯﹙laplace﹚式的決定型因果律。這一理論已被廣泛應用于各個領域,如商業周期研究、動物種群動力學、流體運動、行星運轉軌道、半導體電流、醫學預測(如癲癇發作)以及軍事等。

“蝴蝶效應”是指在一個動力系統中,初始條件下微小的變化能帶動整個系統的長期而巨大的連鎖反應。這是一種混沌現象,“一只蝴蝶在巴西輕拍翅膀,會使更多蝴蝶跟著一起振翅。最后將有數千只的蝴蝶都跟著那只蝴蝶一同揮動翅膀,其所產生的颶風可以導致一個月后在美國德州發生一場龍卷風。”

在《混沌學傳奇》等書中皆有這樣的描述:“1961年冬季的一天,羅倫茲在計算機上進行關于天氣預報的計算。他發現天氣變化同上一次的模式迅速偏離,在短時間內,相似性完全消失了。進一步的計算表明,輸入的細微差異可能很快成為輸出的巨大差別。羅倫茲最初使用的是“海鷗效應”來形容這種現象,但在1979年于華盛頓的美國科學促進會的演講上卻問道:“一只蝴蝶在巴西扇動翅膀會在德克薩斯引起龍卷風嗎?”“蝴蝶效應”因此得名。

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