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混沌理论之父——爱德华·诺顿·罗伦兹

爱德华诺顿罗伦兹(edward norton lorenz,1917— 2008) 美国气象学家,混沌理论之父,蝴蝶效应的发现者。他说过一句很出名的话:一个蝴蝶在巴西轻拍翅膀,可以导致一个月后德克萨斯州的一场龙卷风。

1917年5月23日罗伦兹出生在美国西康涅狄格州哈特福德。他在很小的时候就喜欢科学。“孩提时,我最有兴趣做的事就是关心天气的变化。”他后来写道。罗伦兹后考入达特茅斯学院,1938年毕业。1940年又毕业于哈佛大学,并获得数学专业学位。第二次世界大战期间,罗伦兹作为气象预报员曾在美国陆军航空兵团服役。1943年获麻省理工学院理科硕士学位。1948年,进入该学院任教,从事气象学领域研究。1963年获美国气象学会迈辛格奖,同年提出“混沌理论”(chaos theory)。 

1967年出版的《大气环流的性质和理论》一书中,罗伦兹精辟地阐述了大气环流研究工作的历史发展、现状和展望。1969年获美国气象学会罗斯比研究奖章。1972年提出“蝴蝶效应”(butterfly effect)。1973年获西蒙斯纪念金奖。1975年他成为美国国家科学院院士。1983年获得瑞典皇家科学院颁发的克拉福德奖(crafoord prize),这一奖项主要授予研究领域不在诺贝尔奖授奖范围内,而确有突出成就的科学家。1987年退休。

1991年罗伦兹获得地球和星体学方面的基础科学“京都奖”(kyoto prize) ,评委会称他的混沌理论“继牛顿之后,为人类自然观带来了最为戏剧性的改变”。罗伦兹的妻子简死于2001年,他们留有一子两女。2008年4月16日因为癌症在马萨诸塞州的家中去世,享年90岁。罗伦兹还著有《动力学方程的最大简化》《振荡力学》《大气环流的低阶模式》《用大的数值模式进行大气可预测性试验》等 。

罗伦兹是个兴趣十分广泛的人,他喜欢越野滑雪、徒步旅行,去世前的一周,他还参加过一次徒步活动。尽管他给人的印象是严谨和注重细节,但事实上,罗伦兹自己的办公室是一个非常混乱的空间,多年前,他的学生曾在其中发现了一堆让人从未发表的论文和研究报告。罗伦兹的朋友和学生形容他是个“安静的怪杰”、“所见过最有组织的人”,他的同事也说罗伦兹惜字如金,让他开口说话难如登天,但他们都称赞他是个亲切且谦虚的人。

罗伦兹提出的混沌理论被认为是“对基础科学产生了深远的影响,是继牛顿之后让人类对自然的看法发生了翻天覆地的变化。”他的理论最为人称道的是“蝴蝶效应”,即“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”。

它比喻长时期大范围天气预报往往因一点点微小的因素造成难以预测的严重后果.微小的偏差是难以避免的,从而使长期天气预报具有不可预测性或不准确性。“广义的蝴蝶效应”已不限于天气预报,而是一切复杂系统对初值极为敏感性的代名词或同义语,其含义是:对于一切复杂系统,在一定的“阈值条件”下,其长时期大范围的未来行为,对初始条件数值的微小变动或偏差极为敏感,即初值稍有变动或偏差,将导致未来前景的巨大差异,这往往是难以预测的或者说带有一定的随机性。

1963年罗伦兹提出了“混沌理论”,这一理论拥有巨大的影响力,其主要精神是,在混沌系统中,初始条件的微小变化,可能造成后续长期而巨大的连锁反应。此理论最为人所知的论述之一是“蝴蝶效应”:“一只蝴蝶在巴西轻拍翅膀,会使更多蝴蝶跟着一起振翅,最后将有数千只的蝴蝶都跟着那只蝴蝶一同挥动翅膀,结果可以导致一个月后在美国德州发生一场龙卷风。” 罗伦兹发现“混沌理论”颇具戏剧性效果,也可以算是混混沌沌中发现的。

1961年,冬季的一天,罗伦兹在电脑上进行关于天气预报的计算。为了考察一个很长的序列,他走了一条捷径,没有令计算机从头运行,而是从中途开始。他把上次的输出直接打入作为计算的初值,然后他穿过大厅下楼,去喝咖啡。一小时后他回来时,发生了出乎意料的事。 第一次的计算机运算结果,打印只显示到小数点后三位的0.506,而非完整的小数点后六位:0.506127。这个远小于千分之一的差异,造成第二次的仿真结果和第一次完全不同。

罗伦兹从这个惊人的结果发现,准确预测天气只是人类的幻想,进而揭示出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这两个基本特点,罗伦兹最初使用的是“海鸥效应”来形容这种现象,不过这并不是一个完全新颖的比喻:爱伦坡曾声称人们挥着手可能会影响大气条件,但罗伦兹是第一次对此进行系统思考并形成新的理论的人。他把这一发现写成研究论文,于1963年出版,并于1972年正式提出“蝴蝶效应”这一著名的名词。

另外罗伦兹所提出的“决定性混沌(deterministic chaos)”被指是自牛顿以来另一引人注目的人类自然观的“进化论”,他因此于1991年获颁基础科学京都奖。罗伦兹认为:人类本身都是非线性的:与传统的想法相反,健康人的脑电图和心脏跳动并不是规则的,而是混沌的,混沌正是生命力的表现,混沌系统对外界的刺激反应,比非混沌系统快得多。科学家们对混沌理论评价很高,认为“混沌学是物理学发生的第三次革命”,它与相对论、量子力学同被列为20世纪的最伟大发现之一。

量子力学质疑微观世界的物理因果律,而混沌理论则紧接着否定了包括宏观世界拉普拉斯﹙laplace﹚式的决定型因果律。这一理论已被广泛应用于各个领域,如商业周期研究、动物种群动力学、流体运动、行星运转轨道、半导体电流、医学预测(如癫痫发作)以及军事等。

“蝴蝶效应”是指在一个动力系统中,初始条件下微小的变化能带动整个系统的长期而巨大的连锁反应。这是一种混沌现象,“一只蝴蝶在巴西轻拍翅膀,会使更多蝴蝶跟着一起振翅。最后将有数千只的蝴蝶都跟着那只蝴蝶一同挥动翅膀,其所产生的飓风可以导致一个月后在美国德州发生一场龙卷风。”

在《混沌学传奇》等书中皆有这样的描述:“1961年冬季的一天,罗伦兹在计算机上进行关于天气预报的计算。他发现天气变化同上一次的模式迅速偏离,在短时间内,相似性完全消失了。进一步的计算表明,输入的细微差异可能很快成为输出的巨大差别。罗伦兹最初使用的是“海鸥效应”来形容这种现象,但在1979年于华盛顿的美国科学促进会的演讲上却问道:“一只蝴蝶在巴西扇动翅膀会在德克萨斯引起龙卷风吗?”“蝴蝶效应”因此得名。

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