科学时光机 | 蝴蝶翅膀扇一下就可能会引起龙卷风？

1917年5月23日，美国数学与气象学家爱德华·诺顿·洛伦茨在美国康涅狄格州哈特福德市出生。这位被誉为混沌理论之父的科学家，不仅在数学和气象学领域取得了卓越成就，还因发现“蝴蝶效应”而闻名于世，这一理论至今仍在科学界和社会各界产生着广泛的影响。

洛伦茨在达特茅斯学院完成了本科学业后，于1940年在哈佛大学获得数学专业学位。随后，他在麻省理工学院攻读了理科硕士学位，并于1948年开始在该学院任教，专注于气象学领域的研究。

20世纪50年代，洛伦茨开始对数值天气预报产生兴趣。数值天气预报依赖计算机处理温度、压力和风力等观测数据来预测天气。在麻省理工学院工作期间，洛伦茨接管了一个使用复杂天气模型模拟来评估统计预测技术的项目。在这个过程中，他对气象学中线性统计模型的适用性产生了怀疑，因为大多数与天气预报有关的大气现象都是非线性的。这一发现促使他深入研究混沌现象，并最终在1963年提出了混沌理论。

混沌理论的提出，源于洛伦茨在一次计算机模拟实验中的意外发现。他使用一台Royal McBee LGP-30计算机模拟天气模式，通过输入12个变量来代表诸如温度和风速之类的因素。在一次模拟过程中，为了节省时间，洛伦茨在输入初始条件时采用了四舍五入的方法，忽略了微小的数值差异。然而，这一微小的变化却导致了计算机预测的天气结果与之前的计算完全不同。洛伦茨意识到，初始条件的微小变化在混沌系统中会被不断放大，最终产生巨大的影响。这一发现颠覆了传统科学观念中对确定性的追求，揭示了混沌现象具有不可预言性和对初始条件的极端敏感依赖性。

洛伦茨将这一发现命名为“蝴蝶效应”，用以形象地描述混沌系统中初始条件微小变化对长期结果产生的巨大影响。他比喻说：“巴西的蝴蝶拍一下翅膀，会对周围的大气系统产生一些作用，这些作用会不断地被放大，最后可能会引发美国德州的龙卷风。”这一理论不仅适用于天气预报，更广泛适用于一切复杂系统，如经济、社会等领域。它揭示了自然界和社会现象中普遍存在的非线性和不确定性，促使人们重新审视和理解复杂系统的行为。

洛伦茨的混沌理论和蝴蝶效应不仅在学术界引起了轰动，更在实际应用中产生了深远影响。在气象学上，混沌理论导致了这样一个结论：从根本上说，以合理的精度预测两到三周以后的天气是不可能的。然而，对混沌的认识也促进了天气预报的改进，现在预报员通过运行多个略有不同条件的模拟结果并进行集成预报，提高了预报的准确性。在社会和经济领域，蝴蝶效应提醒人们关注微小事件可能引发的连锁反应，强调了预防和管理风险的重要性。

参考来源：中国气象科普网、中科院物理所微信公众号