蝴蝶效应为什么让人类绝望？

蝴蝶效应。

这是一个令全人类绝望的理论。蝴蝶效应到底有多可怕？一只在巴西的蝴蝶扇动翅膀就能引起数千公里外德克萨斯州的一场龙卷风。它描述了一个复杂系统中一个微小的变化，就能对结果产生重大的影响。你能点击进入这个视频，如果还能看完这个视频，这个微小的因素也会对你的人生轨迹产生重要的影响。

蝴蝶效应之所以深入人心，是因为它切实的改变了我们对人生命运以及世界运行机制的理解。本期视频与今日头条《不懂就问》栏目共创，一起带你进入混沌的宇宙。

物理学有时候就有点像占卜，它的终极目的就是提高人们对未来的预测能力。一开始物理学在这方面表现的非常好。1687年艾萨克·牛顿发表了他的《原理》，里面主要包含了一系列运动方程和引力方程，再加上牛顿自己发明的微积分，可以预测天体未来的运动，甚至几个世纪以后什么时候会发日食都被算的清清楚楚。

人类突然有了预测未来的能力，科学从此战胜了神学。甚至在牛顿力学最高光的18世纪，法国物理学家拉普拉斯曾提出了一个著名的思想实验，就是常说的拉普拉斯妖，它可以知晓世间万物的过去和未来。只要有足够的算力，能知道宇宙中每一个粒子初始的位置和动量信息，所以宇宙是决定论的。

可在狂欢之下，牛顿本人非常清楚宇宙中大部分的情况并不那么容易服从他的方程，特别是三体问题。也就是牛顿深知他的理论只有在一种情况下才能给出行星运动规律简单的普遍解，也就是当两个且只有两个天体在宇宙中互相环绕的情况，也就是所谓的二体问题。

比如地球绕太阳运动的情况，如果再给这个系统多加一个天体，把月球放进来就变成了三体系统，此时整个系统的微分方程就没有了精确的解析解。简言之，只有两个天体互相环绕的运动是规律的、稳定的、持久的，牛顿的理论才可以预测它在未来任何一个时刻的状态。

如果再多一个天体，整个系统就变得混乱，没有规律，甚至不稳定。随着时间的推移它总有一天会崩溃。

200年后，亨利·庞加菜就已经证明在N≥3的情况下，也就是多体问题大部分情况下不存在普遍的解析解，而且整个系统还不稳定。也就是说它的演化由混沌动力学控制，只要初始状态有一点点微小的波动，都会引起天体轨道巨大的变动。比方说地球轨道轻微波动一厘米，整个太阳系的结局都会发生巨大的改变。

混沌系统非常敏感，而且大部分情况下的多体系统，其中某个天体最终都会从系统中被弹出，多体系统随着时间的推移都会瓦解变成二体系统。这个时候，人类就已经发现了我们这个世界混沌的本质，但直到上个世纪混沌系统才真正成为了人类的焦点。因为有一件事震惊了整个科学界。

1961年，美国气象学家爱德华·洛伦茨，他在使用计算机模拟天气系统的时候，就有了一个奇怪的发现。一般情况下，你想模拟一个物理系统，不管是天气，还是粒子，或者是行星运动，你都需要写出描述这个系统的一系列的微分方程。

这个方程控制着系统如何随时间发生演化，前提是我们需要给方程输入一些初始条件，然后让计算机进行运算。那么随着时间的变化，我们就能用计算机模拟出整个系统随时间的变化。洛伦茨当时有12个方程和12个变量，比如温度、压力、湿度等等。

但奇怪的是，它发现在相同的初始条件下，计算机根据方程模拟出了两种截然不同的结果，也就是两种完全不同的天气。仔细观察后，他发现这两个初始条件的输入并不完全相同，一次输入的数据被四舍五入到了小数点后三位，这其实只有百分之零点一的差异。

按理来说，这么小的变化对结果几乎没有影响，但随着时间的推移，每四天结果的差异就会增加一倍，因此模拟的结果完全对应了不同的天气。洛伦茨试着简化了他的方程，变成了三个方程和三个变量，然后继续模拟，他得到了同样的结果：只要你稍微改变一点点数字，结果都会出现巨大的差异。

所以说，洛伦茨的系统显示出对初始条件敏感的依赖性，这就是所谓的混沌系统。这一结果表明，即使今天我们拥有大型超级计算机，也很难预测未来一周以上的天气。

最后洛伦兹在题为"巴西一只蝴蝶扇动翅膀会在德克萨斯州引发龙卷风吗？"的一次演讲中，阐述了这一发现，于是蝴蝶效应就诞生了。这一概念迅速火遍全球，因为混乱系统无处不在。

单摆是一个简单的动力系统，我们可以精确的预测它未来任何时刻的行为，但是把两个单摆链接在一起，混乱就发生了。即使你把两个双摆在相同的初始条件下同时释放，你也无法得到两个运动规律完全一样双摆，它们的运动永远不可预测。

同样的，跟牛顿早期的认识完全一样，我们的太阳系也不可预测。它之所以现在表现的这么具有规律性，完全是因为时间尺度太短。一项研究模拟了未来一亿年的太阳系，我们发现太阳系的运动其实是混乱的，这意味着总有一天太阳系会土崩瓦解，这就是牛顿晚年最大的困扰。

它彻夜难眠，所以才说出了那句经典的名言：太阳系之所以现在依然稳定的运转，是上帝之手在背后发挥着作用。因为牛顿早就知道，仅凭它的理论不足以让太阳系稳定。所以让人类绝望的并不是量子力学的不确定性，而是混沌系统的发现，它让我们彻底的失去了对宏观世界未来准确的预测能力。

来自：李论科学