洛倫茲

氣象學(xué)家，“蝴蝶效應(yīng)”與混沌理論之父。2008年4月17日在美國(guó)病逝，享年91歲

1961年冬天，年輕的麻省理工學(xué)院助教洛倫茲，在一臺(tái)Royal McBee LPG-30計(jì)算機(jī)上，用一個(gè)僅包含12個(gè)微分方程的簡(jiǎn)單模式進(jìn)行氣候模擬。在完成了一次計(jì)算后，他想用同樣的模式重復(fù)。為了節(jié)省時(shí)間，他沒(méi)有從頭到尾重復(fù)這次計(jì)算，而是從程序的中段開(kāi)始。于是他把上一次計(jì)算到這個(gè)位置輸出的數(shù)據(jù)，作為這次計(jì)算的初始條件。然后，為了避開(kāi)計(jì)算機(jī)惱人的噪音，他出去喝了杯咖啡?；貋?lái)的時(shí)候，他被驚呆了。

愛(ài)德華·洛倫茲（Edward N.Lorenz）的一個(gè)偶然發(fā)現(xiàn)，開(kāi)辟了一個(gè)全新的科學(xué)領(lǐng)域——“混沌理論”，并引發(fā)了20世紀(jì)從相對(duì)論、量子力學(xué)之后的第三次科學(xué)革命。

根據(jù)常識(shí)，同樣的程序和數(shù)據(jù)顯然會(huì)導(dǎo)致同樣的結(jié)果。但是第二次的預(yù)報(bào)結(jié)果與上一次大不一樣。開(kāi)始他認(rèn)為是計(jì)算機(jī)的故障，排除了這種可能后，他發(fā)現(xiàn)，他輸入的不是完整的數(shù)據(jù)。

他當(dāng)時(shí)用的計(jì)算機(jī)，儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的容量是小數(shù)點(diǎn)后六位數(shù)字，但是在打印輸出數(shù)據(jù)時(shí)，為了節(jié)省紙張，只輸出小數(shù)點(diǎn)后三位數(shù)字。而洛倫茲在給第二次計(jì)算輸入初始條件的時(shí)候，只輸入了小數(shù)點(diǎn)后的三位，與精確的數(shù)據(jù)有不到0.1％的誤差。就是這個(gè)原本應(yīng)該忽略不計(jì)的誤差，使最終的結(jié)果大相徑庭。這讓洛倫茲意識(shí)到，完美的長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)是不可能的。一個(gè)完美的預(yù)報(bào)不僅需要完美的氣候模式，而且需要對(duì)溫度、濕度、風(fēng)和所有其他氣象條件的精確測(cè)量，任何微小的誤差，將導(dǎo)致完全不一樣的氣候現(xiàn)象。

1963年，洛倫茲在美國(guó)《氣象學(xué)報(bào)》上發(fā)表了題為“確定性的非周期流”的論文，提出了在確定性系統(tǒng)中的非周期現(xiàn)象。第二年，他發(fā)表了另外一篇論文，指出對(duì)于模式中參數(shù)的微小改變將導(dǎo)致完全不一樣的結(jié)果，使有規(guī)律的、周期性的行為，變成完全混亂的狀態(tài)。

不過(guò)，他的發(fā)現(xiàn)沒(méi)有引起任何注意，直到十年后他提出“蝴蝶效應(yīng)”這個(gè)通俗卻驚人的想法，才讓人們了解到這一現(xiàn)象的重要性。

1972年美國(guó)科學(xué)發(fā)展學(xué)會(huì)第139次會(huì)議上，洛倫茲發(fā)表了題為“可預(yù)測(cè)性：巴西一只蝴蝶扇動(dòng)翅膀，能否在得克薩斯州掀起一場(chǎng)龍卷風(fēng)”的演講。他認(rèn)為，一個(gè)微小的初始條件變化可能導(dǎo)致一連串逐漸放大的改變，最終導(dǎo)致完全不同的結(jié)果——這個(gè)看似荒謬的論斷，打碎了所有人關(guān)于“因果決定論可預(yù)測(cè)度”所存的幻想，最終產(chǎn)生了當(dāng)今世界最偉大的理論之一——“混沌理論”。洛倫茲后來(lái)說(shuō)，他原本想用海鷗做比喻的。一個(gè)同事告訴他，用“蝴蝶”可能會(huì)更生動(dòng)，而選擇“巴西”則純粹是為了押韻。

1987年，《紐約時(shí)報(bào)》科技部主任詹姆斯·格萊克（James Gleick）在采訪了200多名科學(xué)家后，撰寫(xiě)了一本后來(lái)享譽(yù)世界的暢銷(xiāo)書(shū)《混沌：開(kāi)創(chuàng)新科學(xué)》。第一章的標(biāo)題就是“蝴蝶效應(yīng)”，介紹了洛倫茲第一次發(fā)現(xiàn)混沌現(xiàn)象的過(guò)程，不過(guò)他給蝴蝶搬了個(gè)家——“今天北京一只蝴蝶拍翅對(duì)空氣造成擾動(dòng)，可能觸發(fā)下個(gè)月紐約的暴風(fēng)雨?！边@本書(shū)后來(lái)被翻譯成19種文字，也在上世紀(jì)90年代初給中國(guó)讀者帶來(lái)了“混沌”的概念。

這種最初只在氣象預(yù)報(bào)中出現(xiàn)的現(xiàn)象，后來(lái)被發(fā)現(xiàn)存在于眾多的自然和社會(huì)系統(tǒng)中，諸如人口的漲落、精神病的發(fā)病、心率的節(jié)奏、雪花的形狀、股市的波動(dòng)、匯率的變化等，都存在混沌現(xiàn)象。在洛倫茲之后，在計(jì)算機(jī)的幫助下，人類(lèi)開(kāi)始用“混沌理論”研究自然界和社會(huì)中的不規(guī)則、不連續(xù)和不穩(wěn)定的方面，開(kāi)啟了簡(jiǎn)化復(fù)雜現(xiàn)象的可能性。

1917年5月23日，洛倫茲出生于美國(guó)康涅狄格州的西哈特福德。1938年，他在達(dá)特茅斯學(xué)院獲得數(shù)學(xué)學(xué)士學(xué)位，1940年獲得哈佛大學(xué)數(shù)學(xué)碩士學(xué)位?！岸?zhàn)”期間的美國(guó)陸軍航空兵氣象預(yù)報(bào)員經(jīng)歷，讓他對(duì)氣象學(xué)產(chǎn)生了興趣。他在自傳中說(shuō)，“我從小就對(duì)數(shù)字感興趣，后來(lái)又對(duì)天氣的變化著了迷?！?943年，洛倫茲在麻省理工學(xué)院獲得氣象學(xué)碩士學(xué)位，1948年在這里獲得博士學(xué)位。此后一直任教于此，直至1987年退休。

1991年，洛倫茲獲得京都基礎(chǔ)科學(xué)獎(jiǎng)。評(píng)獎(jiǎng)委員會(huì)的評(píng)價(jià)是，他對(duì)“確定性混沌”的發(fā)現(xiàn)，影響了基礎(chǔ)科學(xué)的眾多領(lǐng)域，在人類(lèi)對(duì)于自然界的認(rèn)識(shí)上，引發(fā)了自牛頓以來(lái)最大的變化。然而，洛倫茲并沒(méi)有將可預(yù)言性讓位于純粹的隨機(jī)性，而是在天氣模型中看到了比隨機(jī)性更多的東西，即隨機(jī)性后面的有序性。在之后的研究中，他用越來(lái)越多的注意力去尋找看似沒(méi)有規(guī)律的復(fù)雜系統(tǒng)的規(guī)律。

洛倫茲喜歡在新英格蘭的鄉(xiāng)間遠(yuǎn)足，也是一個(gè)登山和滑雪高手，每次開(kāi)科學(xué)會(huì)議的時(shí)候，他都會(huì)到附近的雪道上一試。他的同事對(duì)美聯(lián)社記者說(shuō)，這個(gè)老人非常靦腆，很少與他人合寫(xiě)論文，讓他開(kāi)口說(shuō)話十分困難。在他那個(gè)時(shí)代的天才中，他尤其安靜、謙遜、善良。

作者為《財(cái)經(jīng)》環(huán)境與科技記者