蝴蝶效应

蝴蝶效应,指在一个动力系统中,初始条件下微小的变化能带动整个系统的长期的巨大的连锁反应。
蝴蝶效应是一种混沌现象,说明了任何事物发展均存在定数与变数,事物在发展过程中其发展轨迹有规律可循,同时也存在不可测的“变数”,往往还会适得其反,一个微小的变化能影响事物的发展,证实了事物的发展具有复杂性。
美国气象学家爱德华·洛伦兹(Edward N.Lorenz)于1963年,在一篇提交纽约科学院的论文中分析了这个效应。

中文名:蝴蝶效应
外文名:The Butterfly Effect
范 畴:哲学,自然现象
理论基础:说明事物发展的复杂性
提出者:洛伦兹

理论由来

美国气象学家爱德华·洛伦兹(Edward N.Lorenz)1963年在一篇提交纽约科学院的论文中分析了这个效应。“一个气象学家提及,如果这个理论被证明正确,一只海鸥扇动翅膀足以永远改变天气变化。”在以后的演讲和论文中他用了更加有诗意的蝴蝶。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。”其原因就是蝴蝶扇动翅膀的运动,导致其身边的空气系统发生变化,并产生微弱的气流,而微弱的气流的产生又会引起四周空气或其他系统产生相应的变化,由此引起一个连锁反应,最终导致其他系统的极大变化,他称之为混沌学。当然,“蝴蝶效应”主要还是关于混沌学的一个比喻,也是蝴蝶效应的真实反应。不起眼的一个小动作却能引起一连串的巨大反应。
这句话的来源,是这位气象学家制作了一个电脑程序,这个可以模拟气候的变化,并用图像来表示。最后他喝了一杯咖啡回来之后惊讶的发现:数值的差异非常大。后来的一次演讲里,他说就像海鸥扇动翅膀一样,而后又改成了蝴蝶这个更有诗意的象征,于是便有了上述的说法。
罗伦兹发现,由于误差会以指数形式增长,在这种情况下,一个微小的误差随着不断推移造成了巨大的后果。后来,罗伦兹在一次演讲中提出了这一问题。他认为,在大气运动过程中,即使各种误差和不确定性很小,也有可能在过程中将结果积累起来,经过逐级放大,形成巨大的大气运动。所以,长期的准确预测天气是不可能的。
于是,罗伦兹认定,他发现了新的现象:事物发展的结果,对初始条件具有极为敏感的依赖性。他于是认定这为:“对初始值的极端不稳定性”,即:“混沌”,又称“蝴蝶效应”。

蝴蝶效应命名原因

美国气象学家爱德华·洛伦兹(Edward N.Lorenz)1963年在一篇提交纽约科学院的论文中分析了这个效应。“一个气象学家提及,如果这个理论被证明正确,一只海鸥扇动翅膀足以永远改变天气变化。”

在以后的演讲和论文中他用了更加有诗意的蝴蝶。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。”其原因就是蝴蝶扇动翅膀的运动,导致其身边的空气系统发生变化,并产生微弱的气流,而微弱的气流的产生又会引起四周空气或其他系统产生相应的变化,由此引起一个连锁反应,最终导致其他系统的极大变化。他称之为混沌学。当然,“蝴蝶效应”主要还是关于混沌学的一个比喻。也是蝴蝶效应的真实反应。不起眼的一个小动作却能引起一连串的巨大反应。

这句话的来源,是这位气象学家制作了一个电脑程序,这个可以模拟气候的变化,并用图像来表示。最后他发现,图像是混沌的,而且十分像一只张开双翅的蝴蝶,因而他形象地将这一图形以“蝴蝶扇动翅膀”的方式进行阐释,于是便有了上述的说法。

蝴蝶效应在各个领域的体现

军事和政治

可以用在西方流传的一首民谣对此作形象的说明。这首民谣说:

丢失一个钉子,坏了一只蹄铁;
坏了一只蹄铁,折了一匹战马;
折了一匹战马,伤了一位骑士;
伤了一位骑士,输了一场战斗;
输了一场战斗,亡了一个帝国。

马蹄铁上一个钉子是否会丢失,本是初始条件的十分微小的变化,但其“长期”效应却是一个帝国存与亡的根本差别。这就是军事和政治领域中的所谓“蝴蝶效应”。

线性与非线性

线性,指量与量之间按比例、成直线的关系,在空间和时间上代表规则和光滑的运动;而非线性则指不按比例、不成直线的关系,代表不规则的运动和突变。如问:两个眼睛的视敏度是一个眼睛的几倍?很容易想到的是两倍,可实际是6-10倍!这就是非线性:1+1不等于2。

激光的生成就是非线性的!当外加电压较小时,激光器犹如普通电灯,光向四面八方散射;而当外加电压达到某一定值时,会突然出现一种全新现象:受激原子好象听到“向右看齐”的命令,发射出相位和方向都一致的单色光,就是激光。

非线性的特点是:横断各个专业,渗透各个领域,几乎可以说是:“无处不在时时有。” 如:天体运动存在混沌;电、光与声波的振荡,会突陷混沌;地磁场在400万年间,方向突变16次,也是由于混沌。甚至人类自己,原来都是非线性的:与传统的想法相反,健康人的脑电图和心脏跳动并不是规则的,而是混沌的,混沌正是生命力的表现,混沌系统对外界的刺激反应,比非混沌系统快。 由此可见,非线性就在我们身边,躲也躲不掉了。

“蝴蝶效应”之所以令人着迷、令人激动、发人深省,不但在于其大胆的想象力和迷人的美学色彩,更在于其深刻的科学内涵和内在的哲学魅力。混沌理论认为在混沌系统中,初始条件的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。有点不可思议,但是确实能够造成这样的恶果。一个明智的领导人一定要防微杜渐,看似一些极微小的事情却有可能造成集体内部的分崩离析,那时岂不是悔之晚矣?

语言

蝴蝶效应作为混沌理论(简称“混沌论”)中的一个重要概念,它语言研究领域有着广泛的应用。学术界用蝴蝶效应来解释和研究混沌语言现象,例如《人民日报》于2010年11月10日在头版头条刊发了题为《江苏给力“文化强省”》的文章,由于其权威性和号召力,一直仅限于网络使用的“给力”一词一夜之间红遍中国,扩散到全民词汇系统中,并被收录进第六版《现代汉语词典》。

上世纪80年代,学术界开始采用混沌论及其蝴蝶效应来研究语言问题。1991年在美国伯克利举行的“语言研究的新方法与新视野”研讨会上,中国数学家、语言学家周海中教授曾建议创立“语言混沌论”。他指出,语言混沌论主要从混沌论的角度审视语言及其相关现象,运用混沌论的方法解决语言及其相关现象的非线性问题;为了促进混沌语言研究的发展,有必要建立一种新型的语言研究范式。就目前情况来看,这种语言研究新范式正在兴起。

古籍记载

中国古代典籍中的关于蝴蝶效应的描述:

原文:

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。(《吕氏春秋·察微》)

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。

数学方面

“余切序列”是蝴蝶效应的一个典型例子。你看,以下三个数列每一项都是前一项的余切;初值分别为1、1.00001、1.0001,但是从第10项开始,三个数列开始形成巨大的分歧。这就是混沌的数列,经过足够多项后,得到的数字完全可以看作是随机的,混沌的。

蝴蝶效应案例

2003年,美国发现一宗疑似疯牛病案例,马上就给刚刚复苏的美国经济带来一场破坏性很强的飓风。扇动“蝴蝶翅膀”的,是那头倒霉的“疯牛”,受到冲击的,首先是总产值高达1750亿美元的美国牛肉产业和140万个工作岗位;而作为养牛业主要饲料来源的美国玉米和大豆业,也受到波及,其期货价格呈现下降趋势。但最终推波助澜,将“疯牛病飓风”损失发挥到最大的,还是美国消费者对牛肉产品出现的信心下降。在全球化的今天,这种恐慌情绪不仅造成了美国国内餐饮企业的萧条,甚至扩散到了全球,至少11个国家宣布紧急禁止美国牛肉进口,连远在大洋彼岸中国广东等地的居民都对西式餐饮敬而远之。这让人联想到时下的禽流感,最初在个别国家发现的禽流感,很快波及全球,就算在没有发现禽流感的地区或国家,人们也会“谈鸡色变”。

再比如,你能想像得出一个美国人抽烟和中国的通货膨胀有什么关系吗?假设美国现在有一个人抽烟,不小心把没熄灭的烟头扔在了床边,然后出门上班了,大约20分钟后,烟头慢慢引燃床单,火越来越大,逐渐蔓延到左邻右舍,引起煤气罐的连环爆炸。这时的美国人已经对“恐怖袭击”胆战心惊,而这个肇事者(扔烟头的人)却忘了自己曾扔过烟头,于是在一时无法查明原因的情况下,暂时被定为“恐怖袭击”。这样,惊恐万状的人们纷纷抛售股票,引起股市大跌。人们下降的消费信心影响了整个美国经济,最后造成美元贬值,由于美元的持续贬值,使得以美元标价的基础性原材料价格上扬,盯住美元的人民币价格也相应上扬。从而导致以原材料为基础的商品价格上涨,引发中国的成本拉动型通货膨胀。

这个例子比较夸张,为的只是说明:我们在解释某种经济现象时,如果无法从常规的分析中找到答案,就要考虑那些看起来无关紧要的因素,然而这种因素太多了,也太不可预测了,这也是为什么经济学家总是难以精确地预测具体经济指数的原因。但也正是这种不可预测性造就了变化多端而丰富多彩的世界。

蝴蝶扇动翅膀都有可能引起龙卷风,那还有什么不可能呢?“没有什么不可能”,恐怕这就是“蝴蝶效应”给我们最大的启示。

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