混沌理論的前世今生

在科學界，混沌理論（簡稱“混沌論”）被認為是由美國著名學者愛德華·洛倫茲教授于1963年率先提出的；它是關(guān)于系統(tǒng)從有序突然變?yōu)闊o序狀態(tài)的一種演化理論，是對不規(guī)則而又無法預測的現(xiàn)象及其過程的分析?；煦缯撆c相對論和量子力學同被列為20世紀的最偉大發(fā)現(xiàn)和科學傳世之作。

混沌論隸屬于非線性科學，只有非線性系統(tǒng)才能產(chǎn)生混沌運動。所謂非線性是相對線性而言的，線性是指量與量之間的正比關(guān)系；在線性系統(tǒng)中，分量之和等于總量，遵循疊加原理，而非線性則剛好相反，分量之和不等于總量，不遵循疊加原理。非線性是自然界復雜性的典型性質(zhì)之一，是一切物質(zhì)運動的普遍規(guī)律。

混沌論所研究的是非線性動力學混沌，目的是要揭示貌似隨機的現(xiàn)象背后可能隱藏的簡單規(guī)律，以求發(fā)現(xiàn)一大類復雜問題普遍遵循的共同規(guī)律。洛倫茲教授曾做過一個形象的比喻：一只蝴蝶在巴西扇動一下翅膀會在美國的得克薩斯州引起一場颶風，這就是蝴蝶效應。

蝴蝶效應與分形結(jié)構(gòu)和奇異吸引子是混沌論的三個重要概念，它們都是反映混沌系統(tǒng)運動特征的產(chǎn)物，也是混沌系統(tǒng)中無序穩(wěn)態(tài)的運動形態(tài)。而混沌系統(tǒng)的重要特征在于初始條件中非常微小的變動也可以導致最終狀態(tài)的巨大差別?；煦缯搸缀跎婕暗阶匀豢茖W和社會科學的各個領(lǐng)域，成為解釋或解決非線性復雜問題的有效工具，并正在改變?nèi)藗儗ΜF(xiàn)實世界的許多傳統(tǒng)看法。時至今日，混沌論在理論上有許多新的進展，在應用方面也取得了大量的成績。

例如氣象學領(lǐng)域，人們利用混沌論進行中期天氣預報及氣候預測的研究。由于氣候系統(tǒng)是非線性系統(tǒng)，其初值問題的數(shù)值解是不確定的，而且數(shù)值解是在一定條件下通過某種近似計算得出來的；因此研究氣候狀態(tài)的特征就要研究混沌態(tài)的特征，研究氣候系統(tǒng)的演變機制就要研究混沌態(tài)的變化。2021年10月，諾貝爾物理學獎的一半授予日本著名學者真鍋淑郎教授和德國著名學者克勞斯·哈塞爾曼教授，以表彰他們運用混沌論來預測全球變暖的貢獻。

又如在經(jīng)濟學領(lǐng)域，2003年在美國華盛頓州有一頭霍斯坦乳牛的牛海綿狀腦病檢測呈陽性，也就是我們通常說的“瘋牛病”；這就給剛剛復蘇的美國經(jīng)濟帶來一場破壞性很強的颶風。由于蝴蝶效應的影響，將“瘋牛病颶風”損失發(fā)揮到最大的，還是美國消費者對牛肉產(chǎn)品出現(xiàn)的信心下降。這種恐慌情緒不僅造成了美國國內(nèi)餐飲企業(yè)的蕭條，甚至擴散到了全球。

再如在語言學領(lǐng)域，中國著名學者周海中教授運用跨學科研究方法，于1991年在美國伯克利舉行的“語言研究的新方法與新視野”學術(shù)研討會上提出了“語言混沌論”；該理論主要從混沌論的角度審視語言及其相關(guān)現(xiàn)象，運用混沌論的方法解決語言及其相關(guān)現(xiàn)象的非線性問題。許多專家認為，語言混沌論為語言科學研究提供了一種新范式。

前不久，美國沃克斯網(wǎng)站（vox.com）有一篇題為《混沌論如何幫助解釋新冠肺炎大流行的怪異之處》的文章；該文認為，混沌論或可解釋新冠肺炎（COVID-19）疫情的不確定性；該文指出，了解到新冠大流行具有混沌性，是理解為何未來疫情具有不確定性的關(guān)鍵之一。其實，在新冠大流行系統(tǒng)中，有許多我們無法控制的因素。

混沌現(xiàn)象與許多物理現(xiàn)象一樣，既存在有害的一面又存在有利的一面；它就像一把雙刃劍。所以如何避免混沌的弊端而利用它有益的一面，需要進一步研究混沌論，從而達到控制或利用好混沌的目的。

文/何碧（作者單位：大連理工大學城市學院）