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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 [:1707611260]
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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 第二部分 物理
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绘画：张京
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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 从巴西的蝴蝶到得克萨斯的飓风[1]
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一、决定论
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在本书《时间旅行：科学还是幻想？》一文的第四节中，我们曾提到混沌理论中的一个概念：蝴蝶效应（butterfly effect）。这个效应也被称为对初始条件的敏感依赖性，指的是在某些——通常是非线性的——物理体系中，初始条件的细微改变有可能对体系的未来演化产生巨大影响。它的一种很富诗意的形容，是说巴西的一只蝴蝶拍动翅膀产生的空气扰动，有可能演变成美国得克萨斯州的一场飓风。这也是蝴蝶效应这一名称的主要由来。本文将对这一概念及其历史做一个简单介绍。
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我们知道，人类描述自然的努力，很大程度上体现在对自然现象的时间演化进行描述上。这种描述在许多方面都取得了很大的成功。早在300多年前，英国科学家牛顿（Isaac Newton）就建立了我们称为牛顿力学的理论体系，对小至钟摆、陀螺，大至行星运动的各种自然现象的时间演化做出了极为精确的描述。1846年，天文学家们在牛顿力学所预言的位置近旁发现了几十亿千米之外的太阳系第8大行星——海王星，成为牛顿力学最辉煌的成就之一[2]。
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牛顿力学的成功，除了体现在对某些自然现象时间演化的极为精确的描述外，还留下了一个非常重要的遗产，那就是决定论的思想。按照这一思想，从一个物理体系在某一时刻的状态，可以推算出它在任何其他时刻的状态。人们后来知道，牛顿力学本身只适用于描述一定范围内的力学现象，但它所留下的决定论思想却适用于几乎所有已知的物理定律，甚至在一定程度上包括了被公认为是非决定论性的量子力学[3]。
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那么，决定论思想所具有的如此广泛的适用性，是否意味着我们在原则上可以对物理现象作出精确预言呢？在很长一段时间里，答案被认为是肯定的。但是，与这种被认为原则上可以做到的精确预言形成鲜明对比的，是实际上能精确求解的物理问题的稀少。以天体运动为例，人们能精确求解的只有二体问题。一旦把太阳、地球和月球这三个最熟悉的天体同时考虑进去，就没法精确求解了[4]。又比如流体运动，能精确求解的只有一些非常理想的情形，一旦把像黏滞性那样最常见的现实性质考虑进去，也就没法精确求解了。物理学家们能精确求解的问题，大都附加了各种简化条件。而真正的自然现象几乎从来都不满足那些条件，从而几乎没有一个是能精确求解的。
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幸运的是，在那些无法精确求解的问题中，有一部分非常接近于某些能精确求解的问题。比如地球绕太阳的运转，所有其他天体的影响都相当微小，因此这一问题非常接近于能精确求解的二体问题。而且这两者的差异还可以通过各种手段加以弥补。正是由于这些近似手段——包括数值近似——的存在，使得物理学家们虽然很少能精确求解问题，却依然能对很多自然现象的演化做出非常成功的描述。
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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 二、早期研究
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但是，任何近似手段都必然有误差，因此近似手段的有效性有赖于对误差的控制。随着研究的深入，物理学家们开始遇到了一些无法用近似手段来有效处理的问题。这些问题中有许多都具有蝴蝶效应，它使误差变得不可控制。19世纪末，法国科学家庞加莱（Henri Poincaré）在对三体问题的研究中发现了一些这样的问题。他在《科学与方法》一书中写道：“初始条件的微小差异有可能在最终的现象中导致巨大差异”，“预言变得不可能”。这或许是对蝴蝶效应最早的明确描述[5]。除三体问题外，流体力学中的湍流问题也是一种无法用近似手段来有效处理的问题。据说德国物理学家海森伯（Werner Heisenberg）曾经表示，有机会向上帝提问的话，他想问上帝为什么会有相对论？以及为什么会有湍流？他并且补充说：“我确信上帝知道第一个问题的答案。“——言下之意是上帝也未必知道为什么会有湍流。
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当科学家们接触到包含蝴蝶效应的问题或现象时，科幻小说家们也在用自己独特的方式描述着类似的现象。比如1955年，美国科幻小说家阿西莫夫（Isaac Asimov）写了一部小说，叫做《永恒的终结》（The End of Eternity）。在这部小说中，阿西莫夫描述了一群生活在物理时间之外的人，他们可以对人类历史进行修正，使其更加完美。但他们企图为人类创造一个完美历史的努力，在无形中扼杀了人类的创造与探索能力，使其在与外星生命的竞争中一败涂地。幸运的是，人类后来发现了这一点，并通过时间旅行的手段挽回了一切。在这部小说中阿西莫夫提到：对历史的每一次微小改变，都有可能以一种无法精确预言的方式改变数百万人的人生轨迹，这与蝴蝶效应的表述显然有着极大的相似性。这种出现在科幻小说中的近乎先知先觉的描述，初看起来很令人吃惊，其实并不奇怪。因为现实世界本身就是一种最复杂的自然现象，像蝴蝶效应那样的东西，远在它成为科学研究的对象之前，就早已出现在了人们的日常经验中。所谓“差之毫厘，谬之千里”、“牵一发而动全身”等，都在一定程度上体现了这种效应。
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但从那些日常体验上升为明确的理论表述，则是一个困难得多的问题。
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从19世纪末到20世纪中叶，经过庞加莱、利雅普诺夫（Aleksandr Lyapunov）、弗兰克林（Philip Franklin）、马科夫（Andrei Andreevich Markov）、伯克霍夫（George David Birkhoff）等人的一系列研究，人们对这个困难得多的问题终于有了一定的认识。人们发现，对于满足一定条件的物理体系来说，只有周期性或近周期性（near periodic）的运动才不会因为初始条件的细微改变而产生剧烈变动。依照这个结果，如果运动是非周期性的，那么初始条件的细微改变就会对体系的演化造成巨大影响。因此，这个结果不仅确立了蝴蝶效应的存在，而且还对它的产生条件给出了一定的描述。但是，那时候人们最感兴趣的只是周期运动，因此有关非周期运动的结果虽可作为推论得到，在当时的学术文献中却极少提及。正因为如此，十几年后当美国科学家洛伦兹（Edward Norton Lorenz）在数值计算中再次遭遇蝴蝶效应的时候，依然感到了极大的惊讶。也正因为如此，发现蝴蝶效应的荣誉在很大程度上被后人归到了洛伦兹的头上。
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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 三、模拟天气
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洛伦兹是一位资深的气象学家，早在“二战”时期就在美国军方机构从事气象预测研究。战争结束后，洛伦兹来到了麻省理工学院（MIT），继续从事研究工作。从理论上预测气象变化——尤其是给出长期预测——是气象学家们梦寐以求的目标。但这一目标的实现却始终困难重重。这种困难是不难理解的，因为地球的大气层是一个巨大的流体系统，所有流体力学所具有的复杂性，包括那个连上帝也未必知道起源的湍流问题，都会出现在大气层中。更何况，大气层的行为与海洋、地表、日照等各种复杂的外部条件都有着密切关系；而且大气层的组成相当复杂，其中有些组成部分——如水汽——的形态还常常会在气态、液态及固态之间变化。所有这一切，都使得气象预测成为了一个极其困难的课题。
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在洛伦兹从事气象研究的时候，从理论上预测气象变化主要有两类方法。一类被称为动力气象学（dynamic meteorology），这类方法主要是把大气层看作一个流体系统，然后选取一些重要的物理量——如温度、风速等——进行研究。由于问题的高度复杂，人们还把大气层像切蛋糕一样分割成许多区域，每个区域都用一个点来代表。显然，这是极其粗糙的近似，但即便如此，整个大气层的状态往往还是需要几百万甚至更大数目的变量来描述[6]。换句话说，即便是求解一个非常粗糙的气候模型，往往也需要处理带有几百万个未知数的方程组。这无疑是极其困难的（但不是完全没有希望的）。除了动力气象学外，还有一类方法被称为天气学（synoptic meteorology），这类方法的特点是把对气候影响最大的一些大气结构，比如各种气旋，直接作为研究对象。天气学所使用的规律，有许多是描述那些大气结构的经验规律，而不是像流体力学那样系统性的物理理论。从这个意义上讲，天气学不如动力气象学那样基本。但天气学的优点，是把从动力气象学角度看非常复杂的某些大气结构作为了基本单元，从而有着独特的简化性。