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1. 蝴蝶效应的历史 1963年,爱德华·洛伦茨 Edward N. Lorenz 在一篇发表于《大气科学杂志》Journal of Atmospheric Sciences 的论文《确定性非周期流》Deterministic Nonperiodic Flow 中首次观察并分析了这个效应。他在同年发表于《纽约科学院学报》Transactions of the New York Academy of Sciences 的论文《流体动力流的可预测性》The Predictability of Hydrodynamic Flow 中评论说:
在后来的演讲和论文中他用了更加有诗意的表达——'蝴蝶效应'。 对于这个效应最常见的阐述是:“一只南美洲亚马逊河流域热带雨林中的蝴蝶,偶尔扇动几下翅膀,可以在两周以后引起美国得克萨斯州的一场龙卷风。” 一般来说,微观尺度上蝴蝶微弱的干扰,不会影响宏观尺度上整个天气变化。然而,在某些情况下,正好是蝴蝶多扇动了一次翅膀所造成的微观效果,由此引起了连锁反应,随后在天气的变化中不断扩大自身,乃至于后来成为龙卷风这样宏观尺度的天气现象。 洛伦茨在利用数值工具预测天气变化时,观察到了这样的效应。他发现,将天气模型的初始条件进行看似无关紧要的四舍五入之后,模型所预测的天气变化完全不同于四舍五入之前所预测的那样。实际上,这种现象曾在数学和科学历史上被反复发现过,至少追溯到麦克斯韦 James Clerk Maxwell 和庞加莱 Henri Poincaré ,但是一直没有引起学术界足够的重视,直到1972年,洛伦兹在一场于华盛顿召开的学术会议上,做了那场著名的演讲,题为《可预测性:在巴西的一只蝴蝶扇扇翅膀会引起在特克萨斯州的龙卷风吗》Predictability: Does the flap of a butterfly’s wings in Brazil set off a tornado in Texas? 。 在此之后,蝴蝶效应以及这个现象背后的原理开始引起学术界的广泛关注。1975年,李天岩Tien-Yien Li 和詹姆斯·约克 James Yorke发表了题为《周期三意味着混沌》Period three implies chaos,正式使用了混沌一词来命名这个领域的研究。随着之后混沌理论的发展,“蝴蝶效应”这个形象又生动的比喻逐渐广为人知 —— 一个不起眼的小动作却有可能会引起一连串的巨大反应。 2. 蝴蝶效应是什么 理论定义 在混沌理论 chaos theory 中,蝴蝶效应指的是动力系统 dynamical system 的一种属性,即其关于初始条件的敏感依赖性 the sensitive dependence on initial conditions 。对于具备这种属性的确定性动力系统 deterministic system, 某个状态量的微小改变都有可能导致这个系统之后演化过程的巨大差异。 根据詹姆斯·格雷克 James Gleick的考证[1],“初始条件的敏感依赖性“并不是个全新的概念,之前人们所传颂的谚语中就有提到:
看起来丢了一只马蹄跌只是一件无关痛痒的小事,但是随着事物之后的发展,这却有可能引起完全无法预知的大后果。 蝴蝶效应就反映了这样的现象。事物发展经常同时存在“定数”与“变数”,事物在发展过程中其发展轨迹有规律可循,同时也可能被不可预知、不可精确测量的“变数”所影响。这样使得我们即使已经掌握了确定的规律,但是在根据规律而做预测和推断时,也有可能会失之毫厘,差之千里。微观上的一个小变化却有可能影响宏观上事物的大发展,这反映了一些事物的发展具有复杂性。 蝴蝶效应的成因分析 如前文所说,蝴蝶效应指的是动力系统的初始条件敏感依赖性,那么什么样的动力系统会有这样的性质? 最简单的情况就是发散divergent的动力系统。例如削尖的铅笔,其笔尖立在桌子上。理论上它可以保持平衡,但是非常不稳定,稍微一点外力影响就会倒下。如果我们不考虑在铅笔倒下过程中,桌子对铅笔的阻挡作用,那么铅笔倒下之后,就会一直跌落下去,直到无穷远。这个时候我们说,铅笔动力系统的运动轨迹发散到了无穷。这样的铅笔动力系统就是发散的。从过程角度来说,发散的动力系统都具有初始条件敏感依赖性,只要初始条件有一点差异,那么系统的演化过程就会很不一样;从“结果”(长期行为)角度来说,发散的动力系统都不具备初始条件敏感依赖性,因为无论什么样的初始条件,系统的演化过程一定是朝向无穷大(或无穷远)的。 除了发散的动力系统之外,还有一些介于收敛convergent和发散之间的动力系统,会具备初始条件的敏感依赖性。 这类系统又可以分成三类,第一类是含有鞍点saddle point平衡态的系统。和上面说的发散系统不同,对于含有鞍点的系统,当初始条件在鞍点附近的某些区域,系统演化会趋向于鞍点平衡态,而在鞍点附近的另一些区域,系统演化会远离于鞍点平衡态。 第二类是具有多个平衡态和周期态的系统,例如范德波尔振荡器 van der Pol Oscillator。这种振荡器是荷兰物理学家巴尔塔萨·范·德·波尔 Balthasar van der Pol在1927年研究真空管时首次提出的动力系统。对于这种系统来说,当系统初始状态在某一区域时,系统状态先发散,之后的长期行为趋近于周期变化,而系统初始状态在另外一些区域时,系统状态不经发散直接趋于周期变化。如果改变这个动力系统的参数,又会出现,当系统初始状态在某一区域时,系统状态收敛到某一平衡态,而在另一区域时,系统状态又趋于无穷。隧道二极管 tunnel diode 动力系统也有类似的性质。 第三类就是混沌系统,例如洛伦茨所构建的系统。这类系统不仅具备初始条件敏感依赖性,而且既不发散,也不收敛,还表现出非周期aperiodic/nonperiodic现象。狭义的说,洛伦茨所考虑的蝴蝶效应,正是混沌系统的效应。但是严格的说,初始条件敏感依赖性,并不是混沌系统的专有性质。只是在20世纪60年代,人们对于混沌的认识不深,因此把蝴蝶效应定义为了初始条件敏感依赖性,而没有注意区分蝴蝶效应和混沌行为。 今天,我们一般所说的蝴蝶效应,也主要指混沌系统的初始条件敏感依赖性[2]。然而,我们不应混淆蝴蝶效应和混沌系统。虽然混沌系统都具备这样的性质,但是具备这样性质的系统,却不一定是混沌系统。 数学定义 动力系统理论是数学的分支,动力系统的初始条件敏感依赖性自然就是一个数学性质。数学上,为了保持一般性,我们在度量空间中考虑动力系统的初始条件敏感依赖性。
3.洛伦茨系统演化的仿真图示 时间 0 ≤ t ≤ 30 这两幅图表示了洛伦茨系统从两个相差无几的初始状态(仅在某一方向上差10-5)而演化的过程。 上图中,蓝色曲线由外侧的蓝色椎体开始,演化30倍单位时间之后,到达内侧的蓝色椎体;黄色曲线由外侧的黄色椎体开始,演化30倍单位时间之后,到达内侧的黄色椎体。 这里把这两条曲线分开绘制的原因是,两条曲线的大部分高度相近,若绘制在一起,则会看起来重合在一起,而不方便我们对比这两条曲线的不同。通过对比这两条曲线,我们可以发现,两条演化轨迹在最后一段时间完全不同,特别是最终位置明显差了一截。下图对比了两条曲线的沿某一固定方向的坐标变化。其中上半子图是两条曲线的平均坐标变化,下半子图是两条曲线坐标差异的变化。 4. 各领域中的蝴蝶效应 关于科学 天气系统方面 蝴蝶效应在气象领域是最为人所熟知的,例如标准天气预报模型就可以轻而易举地的演示这一效应。气候科学家詹姆斯·安南 James Annan 和威廉·康诺利 William Connolley 解释说,混沌对天气预报方法的发展很重要; 天气模型对初始条件很敏感。 他们也补充告诫说: “当然,是否有一只未知蝴蝶扇动了翅膀不会直接显示在天气预报上,因为这样一个微小的扰动需要很长时间才会发展到一个显著的规模,而且还有许多更直接的不确定因素需要我们担心。因此,如果说蝴蝶效应这一现象直接对天气预报造成了什么影响,这一说法往往在某种程度上是错误的。 量子力学方面 一些学者已经在一些半经典物理学和量子物理学案例中,包括强场中的氢原子谱和逆磁开普勒问题diamagnetic Kepler problem,研究了存在初始条件敏感依赖(蝴蝶效应)的可能性[7]。 一些学者已经论证了,量子力学系统中不存在'初始条件的极端(指数)敏感依赖性',但是量子系统能以一些量子现象反映经典力学中的混沌现象(通过考虑随机矩阵的特征值)[8,9]。随机矩阵理论和基于量子计算机的仿真也验证了在量子力学中不存在蝴蝶效应[10]。 也有其他学者认为,如果我们换个角度,也可以在量子系统中可以观测到某种演化过程的敏感性,类似经典力学中的蝴蝶效应。在经典力学中,我们所讨论的蝴蝶效应,是对于给定的哈密顿主函数(系统动力学方程),考虑受微扰的系统状态量,从而观察到了系统状态量在微扰作用后的演化差异。 而在量子力学中,系统状态量是波函数,并不存在相对于时间的状态发散。于是这些学者考虑,我们在量子力学中,我们固定系统初始状态量,而考虑受微扰的哈密顿主函数,再观察系统状态量的演化差异[11]。 从这个方面考虑,卡库谢夫斯基 Karkuszewski 等学者,以系统状态量的重叠程度作为“标度”measure,研究了对于同一初始状态,不同哈密顿量的敏感性水平[12] 。这一视角是思考量子混沌的一条路径,不过基本上不被算作量子力学版本的蝴蝶效应。 关于文化 中国古籍中的蝴蝶效应 原文(《吕氏春秋·察微》):楚之边邑曰卑梁,其处女与吴之边邑处女桑于境上,戏而伤卑梁之处女。卑梁人操其伤子以让吴人,吴人应之不恭,怒,杀而去之。吴人往报之,尽屠其家。卑梁公怒,曰:“吴人焉敢攻吾邑?”举兵反攻之,老弱尽杀之矣。吴王夷昧闻之,怒,使人举兵侵楚之边邑,克夷而后去之。 吴、楚以此大隆。吴公子光又率师与楚人战于鸡父,大败楚人,获其帅潘子臣、小帷子、陈夏啮。又反伐郢,得荆平王之夫人以归,实为鸡父之战。凡持国,太上知始,其次知终,其次知中。三者不能,国必危,身必穷。 《孝经》曰:“高而不危,所以长守贵也;满而不溢,所以长守富也。富贵不离其身,然后能保其社稷,而和其民人。”楚不能之也。 译文:楚国有个边境城邑叫卑梁,那里的姑娘和吴国边境城邑的姑娘同在边境上采桑叶,游戏时,吴国的姑娘弄伤了卑梁的姑娘。卑梁的人带着受伤的姑娘去责备吴国人。吴国人出言不恭,卑梁人十分恼火,杀死吴人走了。吴国人去卑梁报复,把那个卑梁人全家都杀了。 卑梁的守邑大夫大怒,说:“吴国人怎么敢攻打我的城邑?”于是发兵反击吴人,把吴人老幼全都杀死了。吴王夷昧听到这件事后很生气,派人领兵入侵楚国的边境城邑,攻占夷以后才离去。 吴国和楚国因此发生了大规模的冲突。吴国公子光又率领军队在鸡父和楚国人交战,大败楚军,俘获了楚军的主帅潘子臣、小帷子以及陈国的大夫夏啮。又接着攻打郢都,获得楚平王的夫人而回。这就是鸡父之战。 凡是主持国事,最上等的是要了解事情开始时的情势,其次是要预见到事情的结局,再次是要知道事情发展的经过。这三点都做不到,国家一定危险,自身一定困窘。 《孝经》上说:“高却不倾危,就能长期保持尊贵;满却不外溢,就能长期保持富足。富贵不离其身,然后才能保住他的国家,而且安定他的人民。”可是楚国做不到这一点。 流行文化中的蝴蝶效应 2008年,记者彼得·迪齐克斯 Peter Dizikes 在《波士顿环球报 》The Boston Globe上撰文指出,流行文化喜欢蝴蝶效应这个概念,但却把它搞错了。相比于洛伦茨用蝴蝶的隐喻正确地指出了可预测性“本质上是有限的” ,流行文化却假定,每一个发生的事件都可以由寻找引起它的基本条件来进行解释。 “这说明了我们更大的期望,那就是这个世界应该是可以理解的 —— 也就是每件事的发生都是合理的(可以用理性去探究推理的),并且我们可以明确且准确的进行解释,无论这些解释所用的基本条件有多么细微。然而,大自然本身就漠视了这种期望” 。 5. 相关资源推荐 书籍推荐 《蝴蝶效应之谜:走近分形与混沌》 内容简介:有人将分形和混沌理论誉为继相对论和量子力学之后的20世纪物理学的第三次革命。本书首先描述了各种分形的基础知识和特性,包括线性迭代产生的分形如分形龙、科和曲线等,以及非线性迭代产生的曼德勃罗集、朱利亚集等。 通过这些例子,介绍了自相似性及分数维的概念。然后,遵循混沌现象发展的历史,通过讲述庞加莱的三体问题、洛伦茨的蝴蝶效应等等故事和趣闻,将读者带进神奇混沌理论的天地中。再进一步通过对一个简单混沌系统--逻辑斯蒂映射的探讨,详细介绍分岔理论、稳定性、及费根鲍姆普适常数等概念。 本书后半部分,介绍了分形和混沌在各个领域的应用及前景、分形和混沌的关系、以及与分形混沌密切相关而发展起来的非线性科学。 《蝴蝶效应(知微见著,影响我们生活的,往往是从小事开始。)》 内容简介:本书剖析了以“蝴蝶效应”为代表的诸多心理学规律、法则在人们生活、工作等方面运行的心理机制:初始条件十分微小的变化经过不断放大,对其未来状态会造成极其巨大的差别。本书语言生动流畅,案例与理论鲜明而不枯燥,能帮助读者从容应对种种不可控却对生活影响至深的事件…… 《蝴蝶效应 经济和社会中那些不可忽略的小事件》 内容简介:社会科学特别是经济学传统的思维方式将世界看作一部机器,虽然复杂但却可以被理解传统的经济学思维方式往往将世界看作一部机器,虽然复杂但却可以被理解甚至控制。这种思维至多只能片面地说明世界是如何运转的,而无法看到世界的本质。 为什么犯罪率居高不下?为什么投资过亿的电影,票房表现却差强人意?为什么成年人中单身的比例越来越高? 这些都是主流经济学没能完美地解释的问题。在本书中,作者从蚂蚁模型出发,通过大量的事例,详细地解释了蝴蝶效应在社会与经济运行中的作用。个体的品位和偏好会受到社会中其他人的影响,将这一理念加入到经济学分析中可以解释很多社会现象。本书为政府决策人、经济学学者、经济学专业学生以及对经济学感兴趣的读者提供了多元的视角、生动的案例和变革性的方法。 视频推荐 电影《蝴蝶效应》 剧情简介: 伊万(艾什顿·库奇 Ashton Kutcher 饰)曾经有一个糟糕的童年,因为他行为闯下了大祸,令他童年充满不堪回忆的往事。而事实上,他确实只是依稀记得一点可怕的情景,这些情景一直纠缠着他的正常生活。伊万接受心理学家建议,把琐碎生活记在记事本里,却偶然发现通过记事本回到过去。这时他才清楚记起,童年时候的自己做了那么多的错事。他幻想着用现在的意识,潜入童年的身体,去弥补种种过失给人们带来的伤害,尤其是希望与当年暗恋的凯西最终走回一起。然而他一次次的跨越时空的更改,只能越来越招致现实世界的不可救药。一切就像蝴蝶效应般,牵一发而动全身。 6. 百科项目志愿者招募 作为集智百科项目团队的成员,本文内容由Yillia Jing、LUX、木子二月鸟、许许、薄荷参与贡献。我们也为每位作者和志愿者准备了专属简介和个人集智百科主页,更多信息可以访问其集智百科个人主页。 在这里从复杂性知识出发与伙伴同行,同时我们希望有更多志愿者加入这个团队,使百科词条内容得到扩充,并为每位志愿者提供相应奖励与资源,建立个人主页与贡献记录,使其能够继续探索复杂世界。 如果你有意参与更加系统精细的分工,扫描二维码填写报名表,我们期待你的加入! 参考文献: [1] Gleick, J. (2011). Chaos: Making a new science. Open Road Media. [2] Shinbrot, T., Ditto, W., Grebogi, C., Ott, E., Spano, M., & Yorke, J. A. (1992). Using the sensitive dependence of chaos (the ‘‘butterfly effect’’) to direct trajectories in an experimental chaotic system. Physical review letters, 68(19), 2863. [3] Devaney, R. (2003). An introduction to chaotic dynamical systems. Westview press. [4] Strogatz, S. H. (2018). Nonlinear dynamics and chaos with student solutions manual: With applications to physics, biology, chemistry, and engineering. CRC press. [5] Lighthill, M. J. (1986). The recently recognized failure of predictability in Newtonian dynamics.Proceedings of the Royal Society of London. A. Mathematical and Physical Sciences,407(1832), 35-50. [6] Tucker, W. (1999). The Lorenz attractor exists. Comptes Rendus de l'Académie des Sciences-Series I-Mathematics, 328(12), 1197-1202. [7] Gutzwiller, Martin C. (1990). Chaos in Classical and Quantum Mechanics. New York: Springer-Verlag. ISBN 0-387-97173-4. [8] Berry, Michael (1989). 'Quantum chaology, not quantum chaos'. Physica Scripta. 40 (3): 335–336. Bibcode:1989PhyS...40..335B. doi:10.1088/0031-8949/40/3/013. [9] Rudnick, Ze'ev (2008). 'What is...Quantum Chaos' (PDF). Notices of the American Mathematical Society [10] Nikolai Sinitsyn, Bin Yan (2020) 'The Quantum Butterfly Noneffect'. Scientific American, https://www./article/the-quantum-butterfly-noneffect/ [11] Peres, A. (2006). Quantum theory: concepts and methods (Vol. 57). Springer Science & Business Media. [12] Karkuszewski, Z. P., Jarzynski, C., & Zurek, W. H. (2002). Quantum chaotic environments, the butterfly effect, and decoherence. Physical review letters, 89(17), 170405. (参考文献可上下滑动) |
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