「蝴蝶效應」是否真的存在?

2021-01-11 大科技雜誌社

亞馬孫雨林的一隻蝴蝶振動兩下翅膀,會引發美國德克薩斯州的一場龍捲風?1963年美國的氣象學家洛倫茲提出了一個名詞,將類似「蝴蝶引起龍捲風」的現象稱為「蝴蝶效應」,用來比喻初始條件的一些小偏差會帶來結果的巨大改變,其他如馬蹄鐵掌上丟失了一個釘子,會讓一個國家走向滅亡;秋天一片飄落的桑葉,會點燃七國混戰的戰火等等,都是「蝴蝶效應」的例子。

那麼「蝴蝶效應」是否真的存在呢?

氣象中的「蝴蝶效應」

如果你是一個較真的人,你一定會想,洛倫茲是個異想天開的瘋子吧,一隻小小的蝴蝶扇一下翅膀而已,怎麼可能引起龍捲風?要是龍捲風真會發生,那世界上那麼多隻蝴蝶,豈不全世界天天都在刮龍捲風?除了蝴蝶,還有很多飛蛾、麻雀呢,它們也天天扇翅膀,人類不是早就完了?

假如你真的這麼想,這不能說你是錯的,畢竟龍捲風、颱風一年發生那麼多次,可從來沒有一個氣象學家出來解釋說成因是蝴蝶扇動翅膀啊。不過,其實「蝴蝶效應」中的「蝴蝶」大多數時候並不是指蝴蝶本身。

洛倫茨首次在報紙上提到這個理論,原文中其實講的是海鷗的翅膀會引起龍捲風,他認為小規模的氣流變化可以永遠改變天氣,比如飛機氣流或者海鷗扇動翅膀的氣流。當然,像這樣小的氣流之後的走向我們難以去檢測,但是小氣流匯入大氣流,大氣流最終改變氣候的狀況確實在發生,沃克環流與厄爾尼諾現象的關係正是如此。

厄爾尼諾現象是一種全球性的異常氣候現象,它會造成一些地區乾旱而另一些地區又過澇的結果,比如2018年我國的暖冬、2019年南方地區的水災等都受到了厄爾尼諾現象的影響。而這樣一種全球性的氣候現象,起因卻只是太平洋上的一股風。

東、西太平洋的水溫高低不同,東太平洋受寒流和赤道信風(這股風受地球自轉偏向力的影響,每年都會自兩極吹向太平洋的東方,使太平洋洋面水溫下降)的影響水溫低、近海面的氣壓高,相較之下西太平洋水溫高、氣壓低,正常情況下風會從東太平洋吹向西太平洋,我們把這股風按發現者的名字命名為沃克環流。

沃克環流將給太平洋西部帶來豐沛的水汽,使太平洋兩岸氣候保持正常的乾濕變化。但是當沃克環流受種種因素影響減弱時,比如赤道信風減弱,太平洋洋面水溫不再下降,而東太平洋的水溫會升高,東部洋面就會產生溫暖溼潤的上升氣流,削弱沃克環流,沃克環流所攜帶的水汽就無法帶到西岸,太平洋的東部區域將變得更加潮溼多雨,而西部會發生大面積的乾旱,就會發生我們所說的厄爾尼諾現象。

你看,像厄爾尼諾這樣最終會影響全球的「龐大傢伙」,它不也是由東南信風、沃克環流這樣不起眼的「小傢伙」所引起的嗎?

物理中的「蝴蝶效應」

我們常常幻想自己如果擁有一臺動畫片《哆啦A夢》中的時光機,就可以回到過去彌補遺憾,但回到過去改變過去真的好嗎?電影《蝴蝶效應》的男主角埃文就陷入了這樣的死循環:他對現狀不滿,於是自己一次次回到過去,單單只改變了一件他認為錯誤的事情,但是未來卻沒有變得更好。埃文女友幼年遭受父親虐待,成年後受不了壓力自殺了,於是他回到女友幼年,用雷管威脅女友父親,結果女友拿起雷管被炸死;埃文朋友目睹女友弟弟燒死小狗,結果精神失常,他鼓勵朋友反抗女友弟弟,結果朋友失手殺死弟弟……

在影片中埃文自己回到並改變了過去,但是實際上,我們到底能不能改變過去呢?

在量子物理學裡,有個名詞叫做「量子蝴蝶效應」,我們可以設計一個與外界隔離並高度可控的實驗系統,在這個系統裡,實驗是可以完美重複的,但是如果重複前做一個微小的改變,比如改變一個原子的位置,那麼最終實驗結果將與開始時完全不同,還處於科學家的設想階段的蟲洞時光機就是這樣一個微小改變就影響全局的系統。

我們知道,現在看到的每一縷陽光,其實是8分鐘前太陽發射出來的,我們看到的是「過去8分鐘」的太陽光,那如果我們能去到距離地球幾百光年遠的星球,再回望地球,看到的是不是幾百年以前的人和事了呢?但是顯然,即使這種想法能實現,我們看到的也不是過去,而是現在,因為在我們去往幾百光年遠的時候,即使以光速前進,也需要幾百年的時間,現在也成為了幾百年以前的過去。只有縮短我們去往幾百光年外所需的時間,才能達到看到過去的目的。

於是「蟲洞時光機」理論應運而生。廣義相對論表明,大質量的物體,如太陽或黑洞會扭曲空間和時間,也就是說時間和空間可以像捲成紙筒一樣摺疊起來,時空的這一端和另一端甚至會重疊。如果我們穿越黑洞,那麼幾百光年的距離也只是一瞬間,這就不影響我們看到過去了。

但是,眾所周知,黑洞具有遞增的引力,如果我們試圖穿越它,在進入黑洞之前可能已被撕成碎片,而「蟲洞」不是,在科學家的想像中,蟲洞具有扭曲時空的引力,但是它的引力不會增強,穿越蟲洞時可以不被撕裂。

但是蟲洞真的存在嗎?

不同的科學家對蟲洞有不同的理解,霍金認為宇宙中存在無數的微小的蟲洞,而且處在不斷消失和形成過程中;有科學家認為蟲洞是黑洞和白洞之間的通道;還有的認為蟲洞連接著遙遠的恆星,美國物理學家基普·索恩還計算出了人類建造一個蟲洞時光機需要多少能量。

但是不管科學家們對蟲洞有多少不同的設想,他們都堅持一點:蟲洞的存在需要大量的能量維持,為了維持一個半徑為一千米的蟲洞,所需要能量的物質質量相當於整個太陽系的質量。與此同時,蟲洞又是非常脆弱的,即使很小的擾動(包括你嘗試穿過它的擾動)都會導致它坍塌。

這樣看來,即使真的發現或造出蟲洞,想通過蟲洞回到過去,都是幾乎不可能完成的任務,更何況還要改變過去呢?一點微小的改變都會使你的時空旅行有去無回。

生活中的「蝴蝶效應」

好吧,你可能會說就算「蝴蝶效應」確實存在吧,但是厄爾尼諾現象和蟲洞時光機卻好像跟你關係並不大啊,就算它們受到蝴蝶效應的影響,你也無法改變什麼,那為什麼還要學習「蝴蝶效應」呢?

先看一下本文開頭提到的飄落桑葉的故事吧。這個故事的名字叫「卑梁之釁」,發生在春秋時代。當時吳國與楚國的邊境是「卑梁」與「鍾離」兩個小城,兩城距離很近,吳、楚兩國的少女,經常一起嬉戲與採集桑葉。一次吳楚兩個少女為了一片桑葉吵架,楚國的少女受傷了,楚國家長跑去理論,結果打死了吳國少女的家長。

卑梁城的吳國人,為了報仇,殺了楚國鍾離城少女全家,接著楚國人屠了吳國全村,吳王餘昧又派兵攻打楚國鍾離城,進行屠殺報復。吳楚兩國就這樣你打我我攻你,結為世仇。

故事還沒完,吳王餘昧的兒子王僚繼位之後,又集結了10萬大軍去討伐楚國,楚平王則聯合頓、胡、陳、沈、蔡、許六個國家組成聯軍抗擊吳國,後來吳國取得了最終的勝利,而楚國從此一蹶不振。

這個故事可以總結為「一片桑葉引起的戰爭」,當然我們知道,戰爭最終能打起來,為的是利益,但是導火索或者說戰爭的藉口確實是一片桑葉啊。在這場因桑葉而起的紛爭中,每個參與者都寸步不讓,最終釀成大禍,這不是「蝴蝶效應」最殘酷的例子嗎?

我們日常生活中的「蝴蝶」不至於會引起戰爭,但是它的影響也不容小覷:河北省的王傳民12歲因一點小事與父親賭氣離家出走,沒想到與家人從此分離長達29年;安徽省的周安員老師因為調解學生之間的爭吵,無意與學生發生肢體衝突,結果被學生家長逼迫至跳江自殺……

每一個悲劇的起因大多數時候都只是一隻小小的「蝴蝶」,而使你的生活變得更好或更差的並不是這些「蝴蝶」,是你的處事態度,遇到事情時你如何去解讀,如何去應對。我們學習「蝴蝶效應」,不僅要理解,一個小雪團有越滾越大最終壓跨一座房屋的可能,更是要學會,如何在小雪團沒有發展壯大時,用自己的智慧去化解它。

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  • 是否存在蝴蝶效應?也許,但不是在量子領域
    一個新的實驗測試了這種現象是否在量子計算機仿真中得以維持。雷·布拉德伯裡(Ray Bradbury)的短篇小說《雷聲》(A Sound of Thunder)中,主人公回到了過去,追捕恐龍。他在史前叢林的腳下踩碎一隻蝴蝶,當他回到現在時,他所知道的世界發生了變化:空氣的感覺,辦公室的標誌,美國總統的選舉。
  • 蝴蝶效應真實存在嗎?
    蝴蝶效應是真實存在的,從某種意義上講,小規模的微小變化可以永遠改變天氣,但蝴蝶能否對天氣產生任何有意義的變化值得商榷,蝴蝶效應能或多或少地抓住人們的想像力,雖然它不是一個完美的例子,但它是一個例證。蝴蝶效應是真實存在的:如果你使用一個混沌系統分別進行起點略有不同的兩項實驗,你將會觀察到兩項實驗結果產生的差異,會隨著時間快速增長。從數學角度來講,隨著時間的推移,兩項實驗的差異將成倍地增大,直到差異變得很大為止。
  • 蝴蝶效應真實存在嗎?量子蝴蝶效應更令人困惑
    戴爾·杜蘭 美國華盛頓大學大氣科學系教授兼系主任 研究包括大氣層的可預測性 ※※「蝴蝶效應是真實存在的,從某種意義上講,小規模的微小變化可以永遠改變天氣,但蝴蝶能否對天氣產生任何有意義的變化值得商榷。」
  • 真正的「蝴蝶效應」和真的好看的《蝴蝶效應》
    後來洛倫茲正式發表演說,用蝴蝶煽動翅膀可以引起颶風的描述,說明一個微小的初始條件變化可能導致一連串逐漸放大的結果。一再表示複雜系統演化中對初始條件的極端敏感,一再表示複雜系統演化中對初始條件的極端敏感,這就是蝴蝶效應。
  • 量子世界存在蝴蝶效應嗎?
    這裡的蝴蝶便是那個影響巨大的擾動因素,「它身形雖小,卻能在漫長流逝的時間裡,打破平衡,推倒整排小片多米諾骨牌,進而觸動大骨牌乃至巨型骨牌。」Bradbury所描繪的「蝴蝶效應」——即過去的微小變化能對未來造成巨大影響——並不完全是科幻小說式的異想天開。
  • 「蝴蝶效應」是如何被誤解的?
    雖然這個故事被認為是蝴蝶效應最廣為人知的典故,但我們要認識到的是,蝴蝶效應並不是決定論,倘若國王出徵提前準備,或者避免親自出徵,結果會怎樣呢?另外,我們有時候也會將蝴蝶效應與多米羅骨牌效應相混淆。多米諾骨牌效應指一件事的發生會引發一連串連鎖反應。
  • 穿越真的會引起蝴蝶效應?霍金曾親自嘗試,邀請未來人參加晚宴
    而在現實世界中,穿越一直遭到人們的質疑,因為如果穿越真的存在的話,那為什麼直到現在都沒有出現從過去或者未來穿越回來的人呢?有人認為,穿越即使可以實現,也是禁止被使用的,因為穿越途中一個小小的差錯,很有可能會引起「蝴蝶效應」,並帶來難以想像的災難。
  • 在量子領域中,存在蝴蝶效應嗎?
    這種神秘的效應在許多文學作品和影視作品中都有過出現,比如電影《生活多美好》(1946),科幻小說《雷鳴之音》(1952),電影《蝴蝶效應》(2004)中等等。這種過去的一個微小變化,導致了在未來出現巨大變化的效應,並不只存在於虛擬世界中。
  • 什麼是蝴蝶效應,蝴蝶效應是什麼意思?
    蝴蝶效應是什麼意思蝴蝶效應(The Butterfly Effect)是指在一個動力系統中,初始條件下微小的變化能帶動整個系統的長期的巨大的連鎖反應
  • 蝴蝶效應真的存在嗎?顛覆常識的混沌學,如何展示地震的存在?
    好萊塢經典電影《蝴蝶效應》系列,絕對是不可多得的佳片。不過看完整個電影之後,很多人都覺得大腦「暈頭轉向」。其實在這部電影當中,只不過是摻雜了諸多的時空穿梭原理,然後再運用比較經典的蝴蝶效應進行刻畫,從而導致整個電影的故事看上去非常複雜。
  • 翡翠也存在蝴蝶效應!
    你只到蝴蝶效效應的由來嗎?它是說因為一隻小小的蝴蝶在亞馬遜河流附近扇動一下翅膀,就會引起整個地區的暴風雨,它的寓意就是說因為一個環節的變動導致整個格局都可能出現變動甚導致結果的變動。而翡翠的歷史文化也算上是悠久了,被稱為玉石之王,受到很多人們的喜愛,且非常有靈氣,還有一定的保健功效,但是你知道嗎翡翠也存在蝴蝶效應!翡翠的主要產地是緬甸,中國每年的翡翠市場價格深受緬甸翡翠市場的影響。近些年中國的經濟日益發展,翡翠市場也變得越來越火熱,投資翡翠市場的人也變多了,所以翡翠對我國出口的金額增多了就致使價格也隨之增高了。
  • 奇異的量子世界裡,連蝴蝶效應都不存在
    Bradbury所描繪的「蝴蝶效應」——即過去的微小變化能對未來造成巨大影響——並不完全是科幻小說式的異想天開。著名數學家與氣象學家Edward Lorenz在一次研究中偶然發現,自然系統中的確存在這樣的例子:即便是初始狀態的微小變化,也能極大地影響最終結果。這種系統被稱為混沌系統,人們所熟知的很多現象,如陰晴不定的天氣,或者將不同液體混合在一起時的複雜過程,都屬於混沌的範疇。
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  • 在量子領域中,存在蝴蝶效應嗎?-虎嗅網
    這種神秘的效應在許多文學作品和影視作品中都有過出現,比如電影《生活多美好》,科幻小說《雷鳴之音》,電影《蝴蝶效應》中等等。這種過去的一個微小變化,導致了在未來出現巨大變化的效應,並不只存在於虛擬世界中。上世紀60年代,美國氣象學家愛德華·洛倫茲在使用電腦程式進行計算時,將初始數值0.506127省略地設置成了0.506,結果生成了完全不同的天氣場景。
  • 在量子力學裡沒有蝴蝶效應
    研究人員使用量子計算機模擬時間旅行,證明在量子領域中沒有所謂的「蝴蝶效應」。在雷·布拉德伯裡(Ray Bradbury)1952年的科幻小說《雷聲》(A Sound of Thunder)中,一個角色使用時光機回到了恐龍時代,在那兒他不小心踩死一隻蝴蝶。等他返回現代,發現整個世界都變得異常陌生。
  • 解讀「蝴蝶效應」
    相信提起「蝴蝶效應」每個人都不會那麼陌生,多多少少有些認知。但你明白其中真正的含義嗎?下面我為大家解讀一下。對於這個效應最常見的闡述是:「一隻南美洲亞馬遜河流域熱帶雨林中的蝴蝶,偶爾扇動幾下翅膀,可以在兩周以後引起美國德克薩斯州的一場龍捲風。」
  • 穿越時空將不能被實現,科學家表示,蝴蝶效應就是最好的證明!
    穿越時空將不能被實現,科學家表示,蝴蝶效應就是最好的證明!在很多科幻大片中,我們可以看到人們能夠穿越回過去,完成一些未完成的心願,在科幻大片《復仇者聯盟》中,鋼鐵俠就曾和眾人穿越回去,只為了阻擋滅霸毀滅宇宙。對於這一畫面很多人都提出了質疑,在現實生活中人類真的可以實現穿越嗎?
  • 蝴蝶效應!
    蝴蝶效應!蝴蝶由於你的一個噴嚏,使氣流發生強運動,通過氣流之間力的作用,最終使美國的一朵雲達到了降水的條件,由於你的一個噴嚏,使美國降了一場雨!而沒有你的噴嚏,那個雲的運動也是一定的,降水就不可能了。下雨所謂蝴蝶效應,其實也是這個道理,蝴蝶在太平洋那邊扇了下翅膀,另一邊可能因此颳起颱風。颱風1颱風2蝴蝶效應電影《蝴蝶效應》是一部由埃裡克·布雷斯、J·麥凱伊·格魯伯執導,艾什頓·庫徹、艾米·斯馬特、約翰·派屈克·阿梅多利、傑斯·詹姆斯等主演的科幻驚悚電影,於2004年1月23日在美國正式上映。