什麼是蝴蝶效應?科學家正在用它預測未來

2025-06-09 | 來源: 國家地理中文網 | 轉到微信 | 有0人參與評論 | 字體: 放大縮小 | 收藏 | 打印

蝴蝶效應已在電影和社交媒體證言的各類載體中得到呈現，但蝴蝶效應背後的真正科學原理能幫助科學家預測未來。｜國家地理圖片集

1961年，麻省理工學院(MIT)氣象學家愛德華・洛倫茲(Edward Lorenz)在向一個氣象預測程序輸入數據時，其模型基於十幾個變量，其中一個變量值為 0.506127。當他再次運行模型時將該數值四舍五入為 0.506，隨後離開房間去喝咖啡。返回後他驚訝地發現，這個微小改動竟導致氣象預測結果發生了戲劇性變化。

1972年，在美國科學促進會(AAAS)會議上，洛倫茲展示了其突破性的混沌模型及極端混沌不可預測性的潛在影響，並提出那個著名問題：巴西一只蝴蝶扇動翅膀，會引發德克薩斯州的龍卷風嗎？

科羅拉多州博爾德市大氣研究大學聯盟(University Corporation for Atmospheric Research)前主席、現名譽校長理查德・A・安瑟斯(Richard A. Anthes)指出，洛倫茲借此說明："在看似簡單的數學方程構成的系統中，粒子初始位置的極小變化可能導致其未來位置的巨大改變 —— 當下的細微差異，可能在未來引發難以預測的巨大變化。"

這一隱喻——個體看似微不足道的行為可能在未來引發混亂或變革——通過洛倫茲極具感染力的比喻，以簡潔優美的方式呈現，同時激發了科學家與公眾的想象力。

聖地亞哥州立大學(San Diego State University)數學與統計學副教授沈博文(Bo-Wen Shen)解釋道："蝴蝶效應從哲學層面顛覆了科學認知，它表明對未來的建模僅在一定范圍內具有可預測性，而正如洛倫茲所言，' 混沌 ' 始終存在，只是難以察覺。" 沈認為，這種 "細微擾動可能產生重大影響" 的理念 "為個體帶來希望，鼓勵人們通過微小行動產生深遠積極效應"。

這一概念多次成為電影主題，近年更在社交媒體催生新潮流：人們分享自己的"蝴蝶效應故事"——汽車拋錨、錯過列車、鞋子破損等看似隨機的事件，最終促成人生重要轉折，如遇見未來伴侶或避開重大災禍。

不過這些故事往往曲解了洛倫茲的原意，更准確地說屬於巧合范疇。

盡管蝴蝶效應在流行文化中常被簡化解讀，但科學家仍在借助這一概念預測"當下行為如何塑造未來"。

為何蝴蝶效應成為科學爭議的核心？

圍繞蝴蝶效應的主流誤解，核心在於人們將"微小擾動引發遠距離有序擾動" 視為真實物理現象。

沈強調："這是一個隱喻。" 他指出，該領域頂尖學者近期達成共識：蝴蝶效應如同 "薛定諤的貓"——既未被科學證實也未被證偽。

科羅拉多州立大學(Colorado State University)大氣科學系名譽教授羅傑・皮爾克(Roger Pielke Sr)斷言："人們常將蝴蝶效應的隱喻當作事實，這是錯誤的。本質上，蝴蝶扇動翅膀能否在數千公裡外(甚至本地)引發龍卷風？任何情況下都不可能，答案是明確的 ' 否'。"

若對此感到困惑無需擔心—— 即便專家也未就該概念的本質達成一致。2024年，《今日物理》(Physics Today)雜志刊登了沈的團隊與牛津大學氣候物理學教授蒂姆・帕爾默(Tim Palmer)之間關於蝴蝶效應本質及其影響的激烈爭論。

帕爾默認為，洛倫茲闡述蝴蝶效應時，實際描述的是"天氣如何由看似獨立的大氣模式共同、瞬時地改變環境而形成"。在 2017 年牛津大學播客中，他以俄羅斯套娃作比：一個 1000 公裡寬的低壓系統中包含100公裡的雷暴雲，雷暴雲中有帶湍流渦旋的子雲，子雲中還有更小的湍流結構。

帕爾默對蝴蝶效應的定義及其被誤解的方式有獨到見解，他在2014 年的科學論文中指出："存在有限的可預測期限，降低初始條件的不確定性也無法延長這一期限。"

沈認為，蝴蝶效應可用一則類似諺語的民間故事(最早由詩人喬治・赫伯特於 1640 年記載)最佳闡釋：

" 少一枚釘子，丟一只馬掌；

蝴蝶效應紅海危機沖擊全球供應鏈

蝴蝶效應蔓延波音公司訂單幾凍結

加沙停火哈馬斯的蝴蝶效應來了

少一只馬掌，失一匹戰馬；

少一匹戰馬，損一位騎手；

少一位騎手，輸一場戰役；

輸一場戰役，亡一個王國；

皆因少枚馬掌釘。"

沈指出："這首短詩表明，任何細微擾動最終都可能對數值積分產生顯著影響。洛倫茲認為，這個民間故事更貼切地詮釋了 ' 不穩定性 ' 這一基礎現象。" 詩句同時提醒我們，後續微小事件無法逆轉最終結果。

蝴蝶效應的科學價值

蝴蝶效應在科學上為"混沌" 概念的定義提供了關鍵支撐。

沈表示："洛倫茲教授的卓越貢獻在於，其模型與方法為眾多研究奠定了基礎，深化了我們對混沌本質與有限可預測性的理解。"

科學家後續發現，混沌系統要麼產生看似隨機但對初始條件高度敏感的單一混沌解，要麼呈現混沌解與規則解共存的狀態。在現實世界中，細微變化未必總能產生顯著影響，其效應可能受限於具體場景。

沈進一步解釋："想象一條奔向海洋的大河，整體水流影響著較小渦旋的運動。這些小尺度特征看似混沌無序，但大尺度水流為理解其行為提供了框架。通過觀察大尺度天氣模式，我們能更深入洞察小尺度混沌事件的演化邏輯。"

正如安瑟斯所言："並非所有蝴蝶的振翅都會引發改變。"

根據洛倫茲理論，即便對當前天氣進行再精密的測量，也無法准確預測遠期天氣——氣象預測的實際極限約為兩周左右。

沈及其團隊正致力於探索這些極限，他們利用洛倫茲模型發表的系列論文，為天氣與氣候中混沌與秩序的雙重屬性提供了新視角。

蝴蝶效應在氣候變化研究中的現實映射

盡管蝴蝶效應的核心價值體現在氣象預測領域，但其思想同樣助力科學家構建氣候變化模型。近期研究人員嘗試利用人工智能(AI)模擬蝴蝶效應以優化氣象預測，遺憾的是未能成功。這並非否定蝴蝶效應的科學性，而是揭示了 AI 在理解該概念上的局限性。

洛倫茲及其蝴蝶效應的影響仍在持續擴散。混沌理論已革新物理學、生物學、工程學、經濟學乃至社會科學等多個領域。安瑟斯指出，洛倫茲模型對"未來依賴於當下" 的所有學科均產生了深遠影響。

"蝴蝶效應的概念幾乎適用於所有 ' 未來狀態由當前狀態決定 ' 的復雜系統 —— 大氣海洋、氣候環境、物理世界、包括人類健康的生物系統，乃至經濟政治等社會體系，" 安瑟斯強調，"看似微小的變化，可能在未來引發巨大、不可預測且非預期的後果。"

2011年，麻省理工學院成立以洛倫茲命名的氣候研究所，專門資助暫無明顯現實應用的基礎科學研究。這種 "純研究" 恰如蝴蝶振翅，或許正孕育著改變未來的關鍵力量。

撰文：Olivia Campbell