| 蝴蝶效應與混沌學
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黃中
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1960年,，美國麻省理工學院教授洛倫茲研究“長期天氣預報”問題時,，在計算機上用一組簡化模型模擬天氣的演變。他原本的意圖是利用計算機的高速運算來提高技期天氣預報的準確性,。但是,，事與愿違，多次計算表明,，初始條件的極微小差異,，均會導致計算結(jié)果的很大不同。
由于氣候變化是十分復雜的,，所以在預測天氣時，輸入的初始條件不可能包含所有的影響因素（通常的簡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卻可能對預報結(jié)果產(chǎn)生重大影響，導致錯誤的結(jié)論。由此,，洛倫茲認定,，盡管擁有高速計算機和精確的測量數(shù)據(jù)（溫度、風速,、氣壓等）,，也難以獲得準確的長期天氣預報。
洛倫茲用一種形象的比喻來表達他的這個發(fā)現(xiàn)：一只小小的蝴蝶在巴西上空煽動翅膀,，可能在一個月后的美國得克薩斯州會引起一場風暴,。這就是混沌學中著名的“蝴蝶效應”，也是最早發(fā)現(xiàn)的混沌現(xiàn)象之一,。
什么是混沌呢,？它的原意是指無序和混亂的狀態(tài)（混沌譯自英文Chaos）。這些表面上看起來無規(guī)律,、不可預測的現(xiàn)象,，實際上有它自己的規(guī)律，混沌學的任務就是尋求混沌現(xiàn)象的規(guī)律,，加以處理和應用,。60年代混沌學的研究熱悄然興起，滲透到物理學,、化學,、生物學、生態(tài)學,、力學,、氣象學、經(jīng)濟學,、社會學等諸多領域,，成為一門新興學科。
美國麻省理工學院的天文學家和計算機專家指出,，太陽系是不可預測的,，在任一時刻，我們根本無法推算出有關行星的速度及準確位置,，根據(jù)經(jīng)典力學計算出的結(jié)果是不可信的,。這與洛倫茲關于準確的長期天氣預報是不可能的結(jié)論一致。其他像太陽黑子的增減,、傳染病的發(fā)病規(guī)律,、精神病的發(fā)病機理、腦電波和心率的變異,、湍流,、股票行情的變化,、匯率的波動，以及許多化學反應和化學過程,、都存在著混沌現(xiàn)象,。天體物理學家試圖用混沌學探索宇宙起源，醫(yī)學家也欲用混沌學研究心臟運動的規(guī)律,，經(jīng)濟學家試圖用混地學來預測股市行情,，社會學家則試驗用它去認識和評價政治危機。一些未知的復雜過程和現(xiàn)象,，都能從混沌學那里找到答案嗎,？這正是混沌學具有誘人魅力之處。
目前,，科學家給混沌下的定義是：混沌是指發(fā)生在確定性系統(tǒng)中的貌似隨機的不規(guī)則運動,，一個確定性理論描述的系統(tǒng)，其行為卻表現(xiàn)為不確定性一不可重復,、不可預測,，這就是混沌現(xiàn)象。進一步研究表明,，混沌是非線性動力系統(tǒng)的固有特性,，是非線性系統(tǒng)普遍存在的現(xiàn)象。牛頓確定性理論能夠充美處理的多為線性系統(tǒng),，而線性系統(tǒng)大多是由非線性系統(tǒng)簡化來的,。因此，在現(xiàn)實生活和實際工程技術問題中,，混沌是無處不在的,。
混沌的發(fā)現(xiàn)和混沌學的建立，同相對論和量子論一樣,，是對牛頓確定性經(jīng)典理論的重大突破,，為人類觀察物質(zhì)世界打開了一個新的窗口。所以,，許多科學家認為,，20世紀物理學永放光芒的三件事是：相對論、量子論和混沌學的創(chuàng)立,。 |
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