洛伦兹

洛伦兹
□于达维/文《财经》杂志 　[2008-04-25]

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，他没有从头到尾重复这次计算，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

——似乎只有财经周末版才每周才登载这么一篇稿子了。