蝴蝶效应

语不惊人死不休,科学家亦如是。

美国的一位大学教授曾发表惊人之论:“巴西的亚马孙丛林中一只蝴蝶轻轻地扇几下翅膀,就会在美国的得克萨斯州掀起一场龙卷风。”蝴蝶真有这么大的威力?还是这位教授在开玩笑?

首先是“事出有因”。

物体的运动可以用微分方程来作定量的描述,它揭示出在某一时刻的运动状态(位置和速度)与其前后时刻的运动状态之间的关系。如果知道了现在的运动状态(即初始条件),就可以据此通过解微分方程,求出以后任何时刻的运动状态。上述“蝴蝶效应“源出于一类非线性微分方程,其初始条件极微小的变化会引起以后的运动状态极大的剧烈变化。有一门“混沌理论”,专门研究这类效应。

现实中这类效应确实存在:管道中的水流遇到障碍时会产生不规则的湍流;使飞机急升陡降甚至失事的高空乱流也属于这一类;大气中湿度过饱和时,用飞机洒下少许干冰,就可以引发发一场暴雨……这样的例子还可以举出很多。

但产生这类效应要有条件,首先是能量。蝴蝶扇翅膀与龙卷风的能量相差何止亿万倍,所以蝴蝶效应是一种高度的能量放大过程,但能量是守恒的,不会无中生有。任何能量放大过程都只是以小能量来控制大能量,其必要条件是要有大能量处于“一触即发”的待控状态。只有这样,才可能用小能量加以控制。因此问题归结为:在什么条件下大能量才能处于这种待控状态?这就引出了下面的条件。

其初始系统必须处于某种有序状态.可以用多米诺骨牌效应来说明这个道理。将骨牌立起来排成一列,轻轻推倒第一张骨牌,就会引起连锁反应,使随后的千百张骨牌相继倒下。产生多米诺效应的条件是,相邻骨牌必须立起并保持适当距离。千百张立起的骨牌所具有的位能,由于排成一列而处于“一触即发”的待控状态,只待那轻轻一推,就触发了多米诺效应。否则,像麻将桌上洗牌时那样一堆乱骨牌,神仙也变不出多米诺效应来:前述在产生湍流、乱流前的水流和气流,以及过饱和的大气都属于某种有序系统。

因此,如果大气圈中确实存在某种特定的有序状态,原则上并不排除“蝴蝶效应”发生的可能性。所以说“事出有因”。

但最终还是“查无实据”。

大气圈的状态受到多种因素的制约。其中很多是无序的。自发出现有序状态的几率非常之低,只有在特定条件下的局部范围内才有可能,而纵贯美洲大陆的大范围内的有序状态实际上不可能出现。其实这毋须高深的科学知识就可以理解;如果那位教授所说的“蝴蝶效应”真的会发生,那么全球每天有几千架喷气机在天空呼啸而过,岂不是要把天都震塌了吗?所以大可不必杞人忧天,亚马孙丛林中再多的蝴蝶扇翅膀,也不会把你的屋顶掀掉。

不过也不要责怪那位教授,他的惊人之论也有益处。可以当作一种“理想实验”,帮助我们以形象化的思维来理解一些科学道理。自然界有许多奥秘,值得我们去思考,去探索……

最近(1998年)有人在《纽约时报》上撰文,引用“蝴蝶效应”比照克林顿总统的绯闻说:白宫女实习生莱温斯基扇几下眼睫毛,就掀起了一场席卷美国的政治风暴。不要以为这只是政治笑话而一笑了之,历史上小的诱因触发震撼世界的重大事件的例子不绝于书。研究这类社会“蝴蝶效应”的产生条件及其机制,具有一定的理论和现实意义,以后有机会再谈。

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发布时间:2015-2-27 11:35:30  阅读次数:1578

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