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蝴蝶效應(yīng)是個(gè)啥
20世紀(jì)70年代,美國(guó)氣象學(xué)家洛倫茲提出,亞馬遜雨林一只蝴蝶偶爾振動(dòng)翅膀,也許兩周后就會(huì)引起美國(guó)得克薩斯州的一場(chǎng)龍卷風(fēng)。盡管這個(gè)比喻有些嘩眾取寵,言過(guò)其實(shí),但是它隱喻著我們生活中的種種現(xiàn)象:初始條件十分微小的變化經(jīng)過(guò)不斷放大,將導(dǎo)致未來(lái)前景的巨大差異。
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蝴蝶效應(yīng)背后藏著個(gè)有趣的科學(xué)故事
一位氣象學(xué)家怎么會(huì)“杜撰”這么一個(gè)“蝴蝶”的寓言呢?這得從他的科學(xué)發(fā)現(xiàn)講起:
為了預(yù)報(bào)天氣,洛倫茲用計(jì)算機(jī)求解仿真地球大氣的13個(gè)方程式,主要研究了三個(gè)非線性氣象因素——溫度、氣壓、風(fēng)速——之間的關(guān)系,意圖是利用計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算來(lái)提高長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。完成冗長(zhǎng)的計(jì)算之后,洛倫茲決定對(duì)結(jié)果進(jìn)行復(fù)核,只保留小數(shù)點(diǎn)后3位,而不是原先的后6位。前后結(jié)果比較發(fā)現(xiàn),兩條曲線完全不一樣。(這簡(jiǎn)直是不可思議的事?。。?/strong>
隨后,洛倫茲完成了仿真地球大氣的13個(gè)方程式的求解,并模擬出了不同條件下的圖解,如圖所示:
因?yàn)榉匠淌降膱D解非常像一只張開(kāi)翅膀的蝴蝶,結(jié)合之前發(fā)現(xiàn)的結(jié)論(一個(gè)微小的誤差隨著不斷推移將造成巨大的后果),洛倫茲創(chuàng)造了一個(gè)新的寓言故事——蝴蝶效應(yīng)。
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蝴蝶效應(yīng)是混沌理論的代名詞
寓言終歸是寓言,洛倫茲通過(guò) “蝴蝶效應(yīng)”的發(fā)現(xiàn)歷程,發(fā)表了著名的論文《決定性非周期流》,首次從數(shù)值計(jì)算中發(fā)現(xiàn)非線性的初值敏感性和最重要的洛倫茲奇異子,第一次系統(tǒng)地揭示了發(fā)生在確定性系統(tǒng)中(方程式組成的確定性系統(tǒng))的貌似隨機(jī)的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)(蝴蝶形狀的運(yùn)動(dòng)軌跡),并將其命名為混沌運(yùn)動(dòng)。
因首次發(fā)現(xiàn)混沌現(xiàn)象,洛倫茲被稱為混沌理論之父。蝴蝶效應(yīng)也成為了混沌理論的代名詞。
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蝴蝶效應(yīng)與混沌理論無(wú)處不在,無(wú)所不能
古語(yǔ)有云:失之毫厘,謬以千里。千里之堤,以螻蟻之穴潰;百尺之室,以突隙之煙焚。有一首翻譯的英文詩(shī)寫(xiě)道:釘子缺,蹄鐵卸;蹄鐵卸,戰(zhàn)馬蹶;戰(zhàn)馬蹶,騎士絕;騎士絕,戰(zhàn)事折;戰(zhàn)事折,國(guó)家滅。
在生命科學(xué)領(lǐng)域,蝴蝶效應(yīng)同樣無(wú)處不在。例如細(xì)胞因子風(fēng)暴,某次微小的感染激活了若干細(xì)胞因子,隨之造成了免疫反應(yīng)過(guò)度激活,可能引發(fā)炎癥或器官衰竭。
例如癌基因突變,某次單個(gè)基因位點(diǎn)的突變,在經(jīng)過(guò)數(shù)次細(xì)胞傳代后,會(huì)發(fā)生不同的結(jié)局,具體請(qǐng)參見(jiàn)The butterfly effect in cancer: A single base mutation can remodelthe cell, PNAS, 2015, 112(4):1131-1136。
例如心臟節(jié)律性地跳動(dòng),正常人的心臟不是完美的振蕩器,而是一個(gè)混沌系統(tǒng),Babloyantz A, Destexhe A . Is the normal heart a periodic oscillator? [ J] . Biol Cybern , 1988 , 58 : 203。有專家已經(jīng)申請(qǐng)了發(fā)明專利:一種基于ECG 混沌模型的混沌起搏器控制方法,專利號(hào)201210184928.0。
例如病毒感染動(dòng)力學(xué),病毒感染后,病毒和細(xì)胞數(shù)量的平衡點(diǎn)和周期波動(dòng)都可能出現(xiàn)。同時(shí)隨著時(shí)滯的增加,穩(wěn)定點(diǎn)被突破,并最終導(dǎo)致混沌模式的出現(xiàn)。
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