洛伦兹

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  气象学家,“蝴蝶效应”与混沌理论之父。2008年4月17日在美国病逝,享年91岁
  
  1961年冬天,年轻的麻省理工学院助教洛伦兹,在一台Royal McBee LPG-30计算机上,用一个仅包含12个微分方程的简单模式进行气候模拟。在完成了一次计算后,他想用同样的模式重复。为了节省时间,他没有从頭到尾重复这次计算,而是从程序的中段开始。于是他把上一次计算到这个位置输出的数据,作为这次计算的初始条件。然后,为了避开计算机恼人的噪音,他出去喝了杯咖啡。回来的时候,他被惊呆了。
  爱德华·洛伦兹(Edward N.Lorenz)的一个偶然发现,开辟了一个全新的科学领域——“混沌理论”,并引发了20世纪从相对论、量子力学之后的第三次科学革命。
  根据常识,同样的程序和数据显然会导致同样的结果。但是第二次的预报结果与上一次大不一样。开始他认为是计算机的故障,排除了这种可能后,他发现,他输入的不是完整的数据。
  他当时用的计算机,储存数据的容量是小数点后六位数字,但是在打印输出数据时,为了节省纸张,只输出小数点后三位数字。而洛伦兹在给第二次计算输入初始条件的时候,只输入了小数点后的三位,与精确的数据有不到0.1%的误差。就是这个原本应该忽略不计的误差,使最终的结果大相径庭。这让洛伦兹意识到,完美的长期天气预报是不可能的。一个完美的预报不仅需要完美的气候模式,而且需要对温度、湿度、风和所有其他气象条件的精确测量,任何微小的误差,将导致完全不一样的气候现象。
  1963年,洛伦兹在美国《气象学报》上发表了题为“确定性的非周期流”的论文,提出了在确定性系统中的非周期现象。第二年,他发表了另外一篇论文,指出对于模式中参数的微小改变将导致完全不一样的结果,使有规律的、周期性的行为,变成完全混乱的状态。
  不过,他的发现没有引起任何注意,直到十年后他提出“蝴蝶效应”这个通俗却惊人的想法,才让人们了解到这一现象的重要性。
  1972年美国科学发展学会第139次会议上,洛伦兹发表了题为“可预测性:巴西一只蝴蝶扇动翅膀,能否在得克萨斯州掀起一场龙卷风”的演讲。他认为,一个微小的初始条件变化可能导致一连串逐渐放大的改变,最终导致完全不同的结果——这个看似荒谬的论断,打碎了所有人关于“因果决定论可预测度”所存的幻想,最终产生了当今世界最伟大的理论之一——“混沌理论”。洛伦兹后来说,他原本想用海鸥做比喻的。一个同事告诉他,用“蝴蝶”可能会更生动,而选择“巴西”则纯粹是为了押韵。
  1987年,《纽约时报》科技部主任詹姆斯·格莱克(James Gleick)在采访了200多名科学家后,撰写了一本后来享誉世界的畅销书《混沌:开创新科学》。第一章的标题就是“蝴蝶效应”,介绍了洛伦兹第一次发现混沌现象的过程,不过他给蝴蝶搬了个家——“今天北京一只蝴蝶拍翅对空气造成扰动,可能触发下个月纽约的暴风雨。”这本书后来被翻译成19种文字,也在上世纪90年代初给中国读者带来了“混沌”的概念。
  这种最初只在气象预报中出现的现象,后来被发现存在于众多的自然和社会系统中,诸如人口的涨落、精神病的发病、心率的节奏、雪花的形状、股市的波动、汇率的变化等,都存在混沌现象。在洛伦兹之后,在计算机的帮助下,人类开始用“混沌理论”研究自然界和社会中的不规则、不连续和不稳定的方面,开启了简化复杂现象的可能性。
  1917年5月23日,洛伦兹出生于美国康涅狄格州的西哈特福德。1938年,他在达特茅斯学院获得数学学士学位,1940年获得哈佛大学数学硕士学位。“二战”期间的美国陆军航空兵气象预报员经历,让他对气象学产生了兴趣。他在自传中说,“我从小就对数字感兴趣,后来又对天气的变化着了迷。”1943年,洛伦兹在麻省理工学院获得气象学硕士学位,1948年在这里获得博士学位。此后一直任教于此,直至1987年退休。
  1991年,洛伦兹获得京都基础科学奖。评奖委员会的评价是,他对“确定性混沌”的发现,影响了基础科学的众多领域,在人类对于自然界的认识上,引发了自牛顿以来最大的变化。然而,洛伦兹并没有将可预言性让位于纯粹的随机性,而是在天气模型中看到了比随机性更多的东西,即随机性后面的有序性。在之后的研究中,他用越来越多的注意力去寻找看似没有规律的复杂系统的规律。
  洛伦兹喜欢在新英格兰的乡间远足,也是一个登山和滑雪高手,每次开科学会议的时候,他都会到附近的雪道上一试。他的同事对美联社记者说,这个老人非常腼腆,很少与他人合写论文,让他开口说话十分困难。在他那个时代的天才中,他尤其安静、谦逊、善良。
  
  作者为《财经》环境与科技记者
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