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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!这就是蝴蝶效应。蝴蝶效应的学术用语叫非线性。最早发现蝴蝶效应的是美国麻省理工学院气象学家洛伦兹(Lorenz)。为了准确预报天气,他用计算机求解仿真地球大气的13个方程式。为了更细致地考察结果,他把一个中间解取出,提高精度再送回。而当他喝了杯咖啡以后回来再看时竟大吃一惊:本来很小的差异,结果却偏离了十万八千里!计算机没有毛病,于是,洛伦兹认定,他发现了新的现象:“对初始值的极端不稳定性”,即:“混沌”,又称“蝴蝶效应”。
这个发现非同小可,以致科学家们都不理解,几家科学杂志也都拒登他的文章,认为“违悖常理”: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!
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。这是我们日常生活中习以为常了的,比如1+1=2,简直毫无疑问。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≠2。 激光的生成就是非线性的!
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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临界值时,光线不是像
大家想象中那样依旧向四面八方散射,仅仅是强度增加。事实上会突然出现一种全新现象:受激原子好像听到
“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,也是非线性的: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。
1979年12月,洛伦兹在华盛顿的美国科学促进会的一次讲演中提出:一只蝴蝶在巴西扇动翅膀,有可能会在美国的德克萨斯引起一场龙卷风。他的演讲和结论给人们留下了极其深刻的印象。从此以后,所谓“蝴蝶效应”之说就不胫而走,名声远扬了。
“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, |
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对其未来状态会造成极其巨大的差别。
我们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“蝴蝶效应”。
当然,蝴蝶效应的存在并不是说任何细微的行动都会造成巨大的变化,它需要具备几个条件:首先是响应,一只蝴蝶的力量微乎其微,但是如果蝴蝶扇动翅膀惊落一片树叶,落下的树叶又惊动了睡觉的松鼠,松鼠受惊掉下来压断了枯枝,这样一来力量就比原来大得多了。没有树叶的响应,蝴蝶是孤掌难鸣的。其次是增强,在树叶响应蝴蝶之后,松鼠又响应了树叶,能量依次增强了,只有响应者能量增强的情况下,蝴蝶效应才会最终形成龙卷风,否则假设松鼠受惊,但并没有掉下,那么蝴蝶的表演也就到此为止了。最后,蝴蝶效应响应和增强的时间越长,积蓄的能量越大,蝴蝶效应就越明显,所以要从蝴蝶到龙卷风,还需具备的一个条件是过程不能间断。
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