什么是蝴蝶效应?科学家正在用它预测未来

日期: 2025-06-09 | 来源: 国家地理中文网 | 有0人参与评论 | 字体: 小中大
蝴蝶效应已在电影和社交媒体证言的各类载体中得到呈现，但蝴蝶效应背后的真正科学原理能帮助科学家预测未来。｜国家地理图片集

1961年，麻省理工学院(MIT)气象学家爱德华・洛伦兹(Edward Lorenz)在向一个气象预测程序输入数据时，其模型基于十几个变量，其中一个变量值为 0.506127。当他再次运行模型时将该数值四舍五入为 0.506，随后离开房间去喝咖啡。返回后他惊讶地发现，这个微小改动竟导致气象预测结果发生了戏剧性变化。

1972年，在美国科学促进会(AAAS)会议上，洛伦兹展示了其突破性的混沌模型及极端混沌不可预测性的潜在影响，并提出那个著名问题：巴西一只蝴蝶扇动翅膀，会引发德克萨斯州的龙卷风吗？

科罗拉多州博尔德市大气研究大学联盟(University Corporation for Atmospheric Research)前主席、现名誉校长理查德・A・安瑟斯(Richard A. Anthes)指出，洛伦兹借此说明："在看似简单的数学方程构成的系统中，粒子初始位置的极小变化可能导致其未来位置的巨大改变 —— 当下的细微差异，可能在未来引发难以预测的巨大变化。"

这一隐喻——个体看似微不足道的行为可能在未来引发混乱或变革——通过洛伦兹极具感染力的比喻，以简洁优美的方式呈现，同时激发了科学家与公众的想象力。

圣地亚哥州立大学(San Diego State University)数学与统计学副教授沈博文(Bo-Wen Shen)解释道："蝴蝶效应从哲学层面颠覆了科学认知，它表明对未来的建模仅在一定范围内具有可预测性，而正如洛伦兹所言，' 混沌 ' 始终存在，只是难以察觉。" 沈认为，这种 "细微扰动可能产生重大影响" 的理念 "为个体带来希望，鼓励人们通过微小行动产生深远积极效应"。

这一概念多次成为电影主题，近年更在社交媒体催生新潮流：人们分享自己的"蝴蝶效应故事"——汽车抛锚、错过列车、鞋子破损等看似随机的事件，最终促成人生重要转折，如遇见未来伴侣或避开重大灾祸。

不过这些故事往往曲解了洛伦兹的原意，更准确地说属于巧合范畴。

尽管蝴蝶效应在流行文化中常被简化解读，但科学家仍在借助这一概念预测"当下行为如何塑造未来"。

为何蝴蝶效应成为科学争议的核心？

围绕蝴蝶效应的主流误解，核心在于人们将"微小扰动引发远距离有序扰动" 视为真实物理现象。

沈强调："这是一个隐喻。" 他指出，该领域顶尖学者近期达成共识：蝴蝶效应如同 "薛定谔的猫"——既未被科学证实也未被证伪。

科罗拉多州立大学(Colorado State University)大气科学系名誉教授罗杰・皮尔克(Roger Pielke Sr)断言："人们常将蝴蝶效应的隐喻当作事实，这是错误的。本质上，蝴蝶扇动翅膀能否在数千公里外(甚至本地)引发龙卷风？任何情况下都不可能，答案是明确的 ' 否'。"

若对此感到困惑无需担心—— 即便专家也未就该概念的本质达成一致。2024年，《今日物理》(Physics Today)杂志刊登了沈的团队与牛津大学气候物理学教授蒂姆・帕尔默(Tim Palmer)之间关于蝴蝶效应本质及其影响的激烈争论。

帕尔默认为，洛伦兹阐述蝴蝶效应时，实际描述的是"天气如何由看似独立的大气模式共同、瞬时地改变环境而形成"。在 2017 年牛津大学播客中，他以俄罗斯套娃作比：一个 1000 公里宽的低压系统中包含100公里的雷暴云，雷暴云中有带湍流涡旋的子云，子云中还有更小的湍流结构。

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。"

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
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分类：国际新闻

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