世界无处不混沌 全球气候会为何在短时间内发生巨变?

　　长江网讯（通讯员 黄静）数学展厅是武汉科技馆最受欢迎的展厅之一，展厅内缤纷的色彩和精彩的展品引来观众纷纷驻足观看参与，在数学展厅中间有一个叫做《混沌水车》的展品，最为引人注目。该展品没有任何内在动力，全凭不确定的一两滴水，就能让水车无序转动，它为大家诠释了一个什么科学原理呢？混沌。千万别小看这个混沌理论，它与相对论、量子力学一起被称为20世纪最伟大的发现。小小展品蕴含着大道理！它是何方神圣？且听我慢慢道来。

　　混沌理论终结了确定性的辉煌

　　经典物理学发源自15世纪，其研究对象是尺寸大于原子和分子的系统的特性，到了17世纪初，在第谷和开普勒的努力下，向人们揭示了天体运动的某些规律，牛顿则将对自然的探索推上了新的台阶，牛顿力学与万有引力理论说明，世界万物都遵循着同一套理论规则。有了牛顿力学，再加上他和莱布尼兹发现的微积分，人类似乎拥有了梦寐以求的预言未来的能力。科学家们提出了钟表机械宇宙的观点，宇宙好比一种钟表装置，自诞生那刻起，就开始工作，并一直遵循着某种规律，嘀嗒走动。

　　科学家们发现，只要用数学规则描述的东西，事实上都简单。只要找到某种描述某个系统的数学方程，就可以以此预测该系统的走向，很快他们就发明了许多类似的方程式。

　　然而混沌系统的发现，将人们带入了前所未有的窘境，很多基于现实问题的预测也变得无比困难。混沌的第一个例子来自牛顿的非常规规律。当两颗星相互绕轨道运行时，我们可以预测他们的位置几千年，但引入第三个星球时，他们开始摆动不稳定并产生了混乱。

　　三颗星球互相吸引缠绕的复杂轨迹

　　在20世纪60年代，气象学家爱德华·洛伦兹正在研究大气的计算机模型。他试图找到可以预测天气的数学方程式，与那个时代的所有人一样，他相信，气象系统原理上与星象仪无异，都是可以用数学描述和预测的机械系统。

　　天气系统如此复杂，用数百万个变量来描述都不为过，洛伦兹把它压缩成三个变量，然而就是这三个变量的模型却发生了混沌效应。事情是这样的：为了检查计算机故障，他将记录每次计算中途的数据，然后从那里重新启动计算机模型。有一次，他惊讶地发现，重新启动后，结果显著不同。他输入了0.506，而不是机器存储的数字0.506127。这个微小的差异由于经过计算机大量的计算，放大到巨大的差异。计算结果与实际大相径庭，他没有得到想要的结果。事实证明想通过一个数学方程，预测整个系统的变化，这个想法没有出路。

　　根据进一步的研究，他发现在三个变量取值的大部分可能性下，系统演变的轨迹都会渐渐趋近于同一个产生混沌的区域，就像磁铁吸引着图钉，混沌的行为成为了必然。这就是人们发现的第一个混沌吸引子：洛伦茨吸引子。它的形状，就像一只蝴蝶。这大概也是洛伦茨将这种混沌的现象称为“蝴蝶效应”的原因。

　　对初始值的极端敏感性，成为混沌现象的重要特征之一。后来这种奇异的现象被演绎成一个略带夸张的描述：“一只南美洲蝴蝶的扑翼，在蝴蝶效应的放大下，也许可以引起得克萨斯州的一场飓风。”

　　天气是混沌的，造成了天气不可能准确预测，微小的扰动在长远看来是不可忽略的，而我们又无力去追踪无数的扰动。虽然短期的预测结果能符合现实，但长期的预测却无能为力，天气预测的准确性会随着时间延长而急剧衰减。

　　洛伦兹的发现迫使科学界必须重视混沌理论，尽管这一理论可称为科学史上最不受欢迎的理论之一。虽然随着电脑计算能力的提升，我们会解出更加复杂的方程式，但混沌理论认为这种想法不一定对，因为哪怕你想到的最简单的方程式不含任何随机因子，一切可知，只要运行过程出现一点点偏差，结果也会和最初的设想大相径庭。

　　历经数个世纪的科学确定性，在短短几年时间内就被瓦解了。科学家们在研究混沌理论的过程中发现，在自然界中有序和混沌其实是深深的联系在一起的。大自然既有规律又无规律，混沌现象将有序和无序统一在一起。

　　世界无处不混沌

　　蝴蝶效应这个混沌系统的典型，在生活中比比皆是，全球气候会在短时间内巨幅变动，股票市场可以毫无预警的崩溃，我们人类可能一夜之间在地球上灭绝，我们对此无能为力。

　　什么样的系统会出现混沌现象？混沌其实是非线性系统在一定条件的一种状态，而事实上几乎自然界的所有系统都是非线性系统，在一定条件下都是会产生混沌现象。

　　混沌本身是确定性中随机无规状态，它并不是无迹可寻、乱成一团，而是无周期的有序性，混沌是伪装成随机的规律性。

　　混沌现象的出现使我们无法对系统的长期行为进行预测，但我们完全可以利用混沌的规律对系统进行短期的行为预测，这比传统的统计学方法有效。

　　自20世纪70年代以来，在世界学术界迅速掀起研究混沌的热潮。从数学到物理学、乃至天文学、化学、医学、生物学等等其他自然科学领域。

　　混沌理论在20世纪90年代开始走向应用阶段。它通常用于天气、股票市场等在一定时段难以预测的比较复杂的系统中，在语言研究方向也有着广泛的应用。

　　近几年来，随着混沌理论研究的发展，混沌与工程技术联系越来越紧密，在生物医药工程、动力学工程、化学反应工程、电子信息工程、计算机工程、应用数学和实验物理等领域都有应用前景。

　　数学展厅的展品《混沌水车》有12个圆锥形的容器挂吊在一个圆周上，圆锥形容器的运动全凭上面水管流出的水流的动力运行，它们时而顺时针旋转，时而逆时针旋转，由于水车对微小的干扰非常敏感，所以我们无法预测水车在受干扰后的运动状态，这个水车就是一个混沌系统。该展品用一个简单的装置就为我们揭示了混沌现象。

责编：江婧