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什么是蝴蝶效应?

2013-11-09 16:30:48 文章来源:泥客论坛 字体:

蝴蝶效应( The Butterfly Effect)是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。这是一种混沌现象。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”,一个微小的变化能影响事物的发展,说明事物的发展具有复杂性。

1、基本概念

来源

美国气象学家爱德华·罗伦兹(Edward N.Lorentz)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:“一只南美洲亚马孙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德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。

应用

蝴蝶效应通常用于天气、股票市场等在一定时段难以预测的比较复杂的系统中。如果这个差异越来越大,那这个差距就会形成很大的破坏力。为什么天气或者是股票市场会有崩盘和不可预测的自然灾害。

蝴蝶效应在社会学界用来说明:一个微小的机制,如果不加以及时地引导、调节,可能会给社会带来非常大的危害,戏称为“龙卷风”或“风暴”;一个微小的机制,只要正确指引,经过一段时间的努力,将有可能会产生轰动效应,或称为“革命”。

蝴蝶效应在心理学方面的应用:蝴蝶效应指一件表面上看来毫无关系、非常微小的事情,可能带来巨大的改变。此效应说明,事物发展的结果,对初始条件具有极为敏感的依赖性,初始条件的极小偏差,将会引起结果的极大差异。当一个人小时候受到微小的心理刺激,长大后这个刺激会被放大,电影《蝴蝶效应》中作了精彩诠释。

其他

中国古代典籍中的关于蝴蝶效应的描述:

《礼记·经解》:“《易》曰:‘君子慎始,差若毫厘,谬以千里。”古人认为微小改变会对未来有很大影响。《吕氏春秋》记载: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,她们在做游戏时,吴国的姑娘不小心踩伤了卑梁的姑娘。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,于是发兵反击吴人,把当地的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。 从做游戏踩伤脚,一直到两国爆发大规模的战争,直到吴军攻入郢都,中间一系列的演变过程,有一种无形的死亡力量,把事件一步步无可挽回地推入不可收拾的境地。因此古人很认真的来对待封印厄运和旺福,因为微小的事情就可以改变未来命运,古人认为女士带紫冰银镶嵌蓝绒晶饰品,男士带红竹石饰品,在结印册上添加“隐岐元简、水差芥子、染付春秋”结押。从而可以祈福带来人生幸福的机遇,并且封印厄运。

宋代永明延寿禅师关于蝴蝶效应的经典演绎:

《宗镜录》序文中说:“[1]最初不觉。忽起动心。成业识之由。为觉明之咎。因明起照。见分俄兴。随照立尘。相分安布。如镜现像。顿起根身。次则随想。而世界成差。後即因智。而憎爱不等。从此遗真失性。执相徇名。积滞著之情尘。结相续之识浪。锁真觉於梦夜。沈迷三界之中。瞽智眼於昏衢。匍匐九居之内。遂乃縻业系之苦。丧解脱之门。於无身中受身。向无趣中立趣。约依处则分二十五有。论正报则具十二类生。皆从情想根由。遂致依正差别。向不迁境上。虚受轮回。於无脱法中。自生系缚。如春蚕作茧。似秋蛾赴灯。以二见妄想之丝。缠苦聚之业质。用无明贪爱之翼。扑生死之火轮。用谷响言音。论四生妍丑。以妄想心镜。现三有形仪。然後。违顺想风。动摇觉海。贪痴爱水。资润苦芽。一向徇尘。罔知反本。发狂乱之知见。翳於自心。立幻化之色声。认为他法。从此。一微涉境。渐成戛汉之高峯。滴水兴波。终起吞舟之巨浪。”永明延寿禅师在1000余年前,就已用至美之文字演绎了蝴蝶效应的深奥道理,把由印度传入中国的佛法经典用中国的方块字作了精彩的演绎。

2、理论基础

蝴蝶效应说明事物发展的结果,差异。

蝴蝶效应是混沌学理论中的一个概念。它是指对初始条件敏感性的一种依赖现象。输入端微小的差别会迅速放大到输出端。蝴蝶效应在经济生活中比比皆是:中国宣布发射导弹,台湾100亿美元流向美国。

3、理论含义

某地上空一只小小的蝴蝶扇动翅膀而扰动了空气,长时间后可能导致遥远的彼地发生一场暴风雨,以此比喻长时期大范围天气预报往往因一点点微小的因素造成难以预测的严重后果。微小的偏差是难以避免的,从而使长期天气预报具有不可预测性或不准确性。长时期大范围天气预报是对于地球大气这个复杂系统进行观测计算与分析判断,它受到地球大气温度、湿度、压强诸多随时随地变化的因素的影响与制约,可想其综合效果的预测是难以精确无误的、蝴蝶效应是在所难免的。我们人类研究的对象还涉及到其他复杂系统(包括“自然体系”与“社会体系”),其内部也是诸多因素交相制约错综复杂,其“相应的蝴蝶效应”也是在所难免的。“今天的蝴蝶效应”或者“广义的蝴蝶效应”已不限于当初罗伦兹的蝴蝶效应仅对天气预报而言,而是一切复杂系统对初值极为敏感性的代名词或同义语,其含义是:对于一切复杂系统,在一定的“阈值条件”下,其长时期大范围的未来行为,对初始条件数值的微小变动或偏差极为敏感,即初值稍有变动或偏差,将导致未来前景的巨大差异,这往往是难以预测的或者说带有一定的随机。

蝴蝶效应是说,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。有些小事可以糊涂,有些小事如经系统放大,则对一个组织、一个国家来说是很重要的,就不能糊涂。

4、概念由来

“蝴蝶效应”的概念,是气象学家罗伦兹1963年提出来的。

为了预报天气,他用计算机求解仿真地球大气的13个方程式,意图是利用计算机的高速运算来提高长期天气预报的准确性。

它的由来是这样的:1963年冬天的一次试验中,美国麻省理工学院气象学家罗伦兹用计算机求解仿真地球大气的13个方程式。他如往常一般在办公室操作气象电脑。平时,他只需要将温度、湿度、压力等气象数据输入,电脑就会依据三个内建的微分方程式,计算出下一刻可能的气象数据,因此模拟出气象变化图。这一天,为了更细致地考察结果、进一步了解某段记录的后续变化,在一次科学计算时,罗伦兹对初始输入数据的小数点后第四位进行了四舍五入。他把一个中间解0.506取出,提高精度到0.506127再送回。当时,电脑处理数据资料的速度不快,在结果出来之前,足够他喝杯咖啡并和友人闲聊一阵。在一个小时后,当他喝了杯咖啡,回来再看时大吃一惊:本来很小的差异,前后计算结果却偏离了十万八千里!前后结果的两条曲线相似性完全消失了。再次验算发现计算机并没有毛病,问题出在他输入的数据差了0.000127,而这个细微的差别却造成结果的天壤之别。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”,亚洲蝴蝶拍拍翅膀,将使美洲几个月后出现比狂风还厉害的龙卷风!这个发现非同小可,以致科学家都不理解,几家科学杂志也都拒登他的文章,认为“违背常理”:相近的初值代入确定的方程 , 结果也应相近才对,怎么能大大远离呢!其原因在于:蝴蝶翅膀的运动,导致其身边的空气系统发生变化,并引起微弱气流的产生,而微弱气流的产生又会引起它四周空气或其他系统产生相应的变化,由此引起连锁反应,最终导致其他系统的极大变化。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。非线性的特点是:横跨各个专业,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:由此可见,非线性就在我们身边。

从此以后,所谓“蝴蝶效应”之说就不胫而走。

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