蝴蝶效应告诉我们天气永远测不准

我们可能听说过,一只蝴蝶在巴西扇动翅膀,在德克萨斯州引发一场龙卷风。这就是所谓的蝴蝶效应,虽然它出现在从人与人之间的关系的隐喻或股市的行为上(且不说阿什顿·库彻职业生涯中的一个低点)。但蝴蝶效应的开始却是一个名叫爱德华洛伦兹的气象学教授。当年他将一个变量的值四舍五入了几个小数点,因此改变了整个科学。

1961年的一天,洛伦兹在麻省理工学院的办公室里工作,他将数据输入到一个新奇的计算机程序中,该程序旨在模拟天气模式。这个模拟是一个他已经运行过的变量的重复,但这次他将12个变量中的一个值506127错输为506。然后他离开办公室去拿咖啡,而电脑则在处理这些数字。

然而当他回来时,很明显,结果是错误的。他的数据中的微小变化导致了剧烈的变化,完全改变了两个月的模拟天气。洛伦兹意识到,小的变化可能会带来巨大的后果,而不是小的变化导致其他的小的变化。他在1963年发表了他的发现,这个想法后来在科学界被称为“对初始条件的敏感依赖”。在1972年的一次会议上,洛伦兹将他的理论与蝴蝶翅膀的拍打会影响天气的想法结合在一起时,“蝴蝶效应”这个名字得到了更清晰的解释。

这一发现意义重大。早在艾萨克·牛顿时代,科学家们就认为自然界的一切都是可以预测的。也就是说,即使我们现在没有预测一切的方法,但可以想象,科学知识可以发展到足以预测整个宇宙的行为。但洛伦兹的发现表明,即使是最微小的怪癖也能把整个系统搞乱。科学知识永远不可能发展到足以预测天气的程度,因为天气本质上是不可预测的。

蝴蝶效应产生了一种叫做混沌理论的东西,我们可能还记得杰夫·戈德布卢姆在《侏罗纪公园》中扮演的角色的特长。它集中于难以预测的现象,如动物数量、股票价格,甚至人类行为。混沌可能听起来像是超出了数学的范围。如果它是不可预测的,那么我们人类会从哪里开始呢?但宇宙中的一切都受规则的制约,即使我们不知道它们究竟是什么。

混乱不是随机性。其中一个最著名的例子来自洛伦兹,他绘制了一个表示气体运动的方程的解图。结果看上去非常贴切,就像一只蝴蝶。那张图表强调了混乱总是有其局限性的。

但是,当涉及到混沌理论时,即使是我们最好的方程也不可能100%准确,尤其是天气。虽然蝴蝶的翅膀不能引起龙卷风,但是大气中的其他小问题,比如单个云的确切位置,会产生我们无法预测的巨大影响。正如洛伦兹在他1963年的重要论文中写的那样,当他的研究结果应用到大气中时,一切都不敢随便下定论。他指出,用任何方法预测足够遥远的未来都是不可能的,除非目前的条件已经被准确地知道。鉴于天气观测不可避免地不准确和不完整,精确的甚至长期预报似乎是不存在的。如今50年过去了,但这个理论并没有任何的改变。

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