什么是蝴蝶效应?科学家正在用它预测未来

帕尔默对蝴蝶效应的定义及其被误解的方式有独到见解，他在2014 年的科学论文中指出："存在有限的可预测期限，降低初始条件的不确定性也无法延长这一期限。"

沈认为，蝴蝶效应可用一则类似谚语的民间故事(最早由诗人乔治・赫伯特于 1640 年记载)最佳阐释：

" 少一枚钉子，丢一只马掌；

少一只马掌，失一匹战马；

少一匹战马，损一位骑手；

少一位骑手，输一场战役；

输一场战役，亡一个王国；

皆因少枚马掌钉。"

沈指出："这首短诗表明，任何细微扰动最终都可能对数值积分产生显著影响。洛伦兹认为，这个民间故事更贴切地诠释了 ' 不稳定性 ' 这一基础现象。" 诗句同时提醒我们，后续微小事件无法逆转最终结果。

蝴蝶效应的科学价值

蝴蝶效应在科学上为"混沌" 概念的定义提供了关键支撑。

沈表示："洛伦兹教授的卓越贡献在于，其模型与方法为众多研究奠定了基础，深化了我们对混沌本质与有限可预测性的理解。"

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科学家后续发现，混沌系统要么产生看似随机但对初始条件高度敏感的单一混沌解，要么呈现混沌解与规则解共存的状态。在现实世界中，细微变化未必总能产生显著影响，其效应可能受限于具体场景。

沈进一步解释："想象一条奔向海洋的大河，整体水流影响着较小涡旋的运动。这些小尺度特征看似混沌无序，但大尺度水流为理解其行为提供了框架。通过观察大尺度天气模式，我们能更深入洞察小尺度混沌事件的演化逻辑。"

正如安瑟斯所言："并非所有蝴蝶的振翅都会引发改变。"

根据洛伦兹理论，即便对当前天气进行再精密的测量，也无法准确预测远期天气——气象预测的实际极限约为两周左右。

沈及其团队正致力于探索这些极限，他们利用洛伦兹模型发表的系列论文，为天气与气候中混沌与秩序的双重属性提供了新视角。

蝴蝶效应在气候变化研究中的现实映射

尽管蝴蝶效应的核心价值体现在气象预测领域，但其思想同样助力科学家构建气候变化模型。近期研究人员尝试利用人工智能(AI)模拟蝴蝶效应以优化气象预测，遗憾的是未能成功。这并非否定蝴蝶效应的科学性，而是揭示了 AI 在理解该概念上的局限性。

洛伦兹及其蝴蝶效应的影响仍在持续扩散。混沌理论已革新物理学、生物学、工程学、经济学乃至社会科学等多个领域。安瑟斯指出，洛伦兹模型对"未来依赖于当下" 的所有学科均产生了深远影响。

"蝴蝶效应的概念几乎适用于所有 ' 未来状态由当前状态决定 ' 的复杂系统 —— 大气海洋、气候环境、物理世界、包括人类健康的生物系统，乃至经济政治等社会体系，" 安瑟斯强调，"看似微小的变化，可能在未来引发巨大、不可预测且非预期的后果。"

2011年，麻省理工学院成立以洛伦兹命名的气候研究所，专门资助暂无明显现实应用的基础科学研究。这种 "纯研究" 恰如蝴蝶振翅，或许正孕育着改变未来的关键力量。

撰文：Olivia Campbell