0%

试译:《混沌:开创新科学》

图灵社区在寻找译者重新翻译《混沌》这本书。我在网上看了看这本书原来的翻译版本,确实不忍卒读。索性自己最近也闲散,就尝试了一下。没有通过,哈哈,确实,自己对『决定论』和『拉普拉斯妖』这些东西还真不是很懂。

蝴蝶效应

物理学家一般都认为我们要做的事情都是预测。就好比说,给你所有的初始条件,你要做的就是告诉我,接下来会发生什么? ——里查德·费曼

从来没有飘过一片云的天空中,太阳直晒下来。风吹过像玻璃一样平坦的地面。夜晚不会降临,也没有什么秋去冬来。这里也从来没有降雨。这里是爱德华·洛伦茨新款电子计算机里面的天气模拟系统。模拟系统的时间设定在仲秋的正午。天气确实在不断变化,但变化很慢,好象整个世界都成了亚瑟王的卡梅洛特城堡,或者说是一个特别乏味版的南加州。

洛伦茨能看到窗户外面真实世界的天气,有时清晨的雾气笼罩着麻省理工学院的校园,有时是来自大西洋的低矮的云雾溜过一个个的屋顶。洛伦茨的计算机里面的模拟系统里没有云,也不会起雾。那台计算机是皇家麦克比公司的产品,看起来就是一团电线和真空管的灌木丛。机器占据了洛伦茨办公室很大一块地方,工作的时候会发出恼人的噪音。每隔一周左右计算机就会崩溃一次。它的运算速度和内存都不足以模拟真实的地球气候和海洋系统。但是,洛伦茨 1960 年的时候在这台机器上制作了一个玩具版的天气系统,这个系统让他的同事着迷。

随着时间的推移,计算机每分钟会在纸上打印出一行数字。如果你理解这些数字的含义的话,你会看到大部分时候都是西面吹来的风,一会朝北吹,一会朝南吹,一会又开始朝北吹。

在一个理想化的球体上,数字化的飓风缓慢地旋转着。消息逐渐在系里传开,其他的气象学家不时会带着自己的学生来到机器旁边围观,打赌洛伦茨的天气系统下一步会如何变化。然而,在这个系统里,从来没有发生过相同的两件事。

洛伦茨特别喜欢天气,这绝非成为气象学家的先决条件。天气的千变万化让他如痴如醉。大气中来来去去的图案,旋风和涡流,遵循着数学的规则,但是图案永远不会重复,这些都让他十分着迷。当他看着云的时候,他会觉得自己从中看到了一种规律。他曾经担心研究天气会像是用螺丝刀撬开玩偶匣,毫无趣味。但现在,他甚至有点怀疑科学到底能不能解释天气的秘密。天气有一种特质,仅仅谈论平均值是无法触及到的。

六月份,麻省剑桥市每日最高温度平均为 75 华氏度。沙特阿拉伯首都利雅得每年下雨的天数平均为 10 天。这些只是数据,但更重要的本质是天气随着时间变化的规律,而这些规律正是洛伦茨用那台皇家麦克比尝试去寻找的。

洛伦茨是这个机器宇宙里的上帝,他可以随便规定这个世界里的自然规律。在一系列并不那么神圣的尝试之后,他选择了 12 号。这些号码代表的都是一套数学规则,里面规定了温度和气压之间,气压和风速之间的方程式。

洛伦茨知道自己的刚刚选定了那个宇宙里面的牛顿定律,就像一个钟表匠做出一只表,然后就让表那么一直运转下去一样。由于物理学定律的因果论本质,任何干预都是不必要的。制作这个模型的人就认为,从现在到将来,动力学定律保证了他们之间的数学相关性。所以,理解了这个规律,你就可以理解这个宇宙。这也是洛伦茨那台计算机上面的天气模拟系统背后的设计哲学。

的确,如果十八世纪的哲学家认为他们的造物主是一个仁慈的,甘愿呆在幕后,不愿意正面干涉的人的话,洛伦茨就是这样一个典型。他是气象学家当中的异类。他有着一张美国北方农民饱经风霜的脸,不过他的眼睛格外明亮,所以不管他有没有笑,在别人看来,他总是笑呵呵的。

洛伦茨很少谈论自己,也不谈自己的工作,他是一个倾听者。他常常迷失在各种数学计算和幻想之中,让人觉得很难靠近。他最好的朋友也觉得洛伦茨很大一部分时间都好像是在遥远的外太空遨游。

他从小就是个天气迷,住在康涅狄格州西哈特福德父母家里的时候,他会根据房子外面的温度计读数制作详细的表格,记录每天的最高温度和最低温度。不过比起看温度计,他更多的时间是在屋子里面做数学谜题。有时候他会和父亲一起做。有一次,他们遇到了一个特别难的题,后来发现那道题是无解的。父亲跟他说,你要接受这个事实,就是你可以努力去解开一个谜题,但是如果能证明它确实无解,那样也是可以的。洛伦茨对这一点很认同,他喜欢数学的纯粹。

1938 年从达特茅斯学院毕业的时候,他觉得数学就是自己毕生的事业。但是,机缘巧合,那个时间点第二次世界大战爆发了,他成了空军里的一名天气预报员。二战结束后,他继续研究气象学,用数学进一步研究它的规律。发表了一些气象学正统问题——比如大气循环等——相关的论文之后,他声名鹊起。与此同时,他一直都在思考预测天气这件事。

对于大部分严肃的气象学家来说,预测天气并不算是一门科学。在他们看来,预测天气只不过是一些技术员看着仪器上的数字和云图,根据自己的直觉和经验做出的猜测。只是个猜测的活儿。在麻省理工这样的研究中心,气象学家更喜欢那些有确定答案的问题。洛伦茨在空军里做过天气预报员,他当然知道预测天气的复杂程度,但他还是对这个问题有很大的兴趣,他很想利用数学来解决这个问题。

二十世纪六十年代的时候,不仅仅气象学家轻视预测天气,几乎所有的严肃科学家都不相信计算机。这些改良后的计算机怎么看也不想理论科学用的精密仪器。所以,天气的数学建模问题就像是个没娘养的孩子。但是,时机已经到来了。

几个世纪以来,天气预测问题一直在等待一个可以不断暴力重复几千次计算的机器。只有计算机可以做到这一点。只有计算机可以兑现牛顿动力学定律描述的那个世界:世间万物都遵循着一个定律,在自己既定的轨道上行进,像行星一样亦步亦趋,像月圆月缺和潮起潮落一样可以预测。

天文学家用铅笔和计算尺,根据行星现在的位置和状况,依据他们旋转的物理定律,可以计算出他们将来的位置。理论上讲,有了计算机,气象学家就应该像有了铅笔和计算尺的天文学家一样。空气和水运动的方程式,和行星运动的方程式并没有什么不同。天文学家的计算并不完美,也永远无法达到完美,毕竟我们所在的太阳系里有九个行星,几十个卫星,还有数以千计的小行星。但是,关于行星运动轨迹的计算特别精确,以至于人们都忘记了这个计算只是预测。当一个天文学家说“哈雷彗星 76 年以后会再次出现在这个位置”的时候,听起来就像是个事实,而不是预测。既然,数学模型可以准确地预测飞行器和导弹的轨迹,那为什么碰到了风和云就无能为力了呢?

因为虽然遵循着相同的运动定律,但是相比起来,天气要复杂的多。也许会有一台计算机的强大到成为拉普拉斯想象中的高级智能。拉普拉斯是十八世纪的一位数学家,哲学家,他是牛顿运动定律狂热的支持者。他曾经写道,“这样的高级智能一定为拥护一个统一的定律,无论是巨大的天体还是最小的原子都遵循着同一个运动定律。对它来说,没有什么是不确定的,所有的事情都是可预测的,过去,未来,在它眼里都是当下。”

到了现在,爱因斯坦的相对论和海森堡的不确定性原理已经众所周知,拉普拉斯看起来乐观的像个小丑,但他所描述的却还是很多现代科学家追求的梦想。笼统来讲,许多二十世纪科学家(包括生物学家、神经科学家和经济学家)的任务一直就是将自己所在的学科打碎成最简单的、遵循科学规律的原子。在所有的这些学科中,他们心里一直铭记着牛顿的决定论。现代计算机的制造者心中一直有一个拉普拉斯。而且,自从二十世纪 50 年代,约翰·冯·诺伊曼在新泽西州普林斯顿的高级研究中心设计了第一台机器之后,计算的历史就和预测的历史相互交织在了一起。冯·诺伊曼知道,对计算机来说,天气建模是一份理想的任务。

在所有学科里,科学家都会做出一个妥协,就像是一张没付钱的信用卡账单。这个妥协微不足道,甚至很多前线科学家常常忘记它的存在。那就是,所有的测量都有误差。走在牛顿旗帜下的科学家手里通常还会挥舞另一面旗子:如果有一个系统初始状态的大概信息,并且了解背后的自然定律,那么就可以计算出这个系统的大概行为。所有科学的核心都包含了这个假设。就像一位理论学家对自己学生讲的:西方科学有一个基本假设就是,在计算地球上这张台球桌上这只台球的运动的时候,你无需考虑另一个星系一片树叶掉落在某个行星表面的影响。

从古典主义的角度来看,相信近似和趋同无可厚非。毕竟,这样管用。1910 年确定哈雷彗星的位置有点小小的误差,只会让预测它 1986 年再次光临的时间产生一点小小的误差。即便过上几百万年,误差也还是这么小。现在,计算机控制太空飞行器也是基于同样的假设:大致准确的输入和大致准确的输出。经济学家的预测也一样,只不过他们的预测准确与否并不那么好分辨。同样,天气预测的前辈们在预测天气的时候也是机遇相同的假设。

靠着这台原始的机器,洛伦茨把天气简化成了光秃秃的骨架。但是,就是这样一台机器打印出来的一行行的数据中,风速和温度似乎在按照一种可辨识的规律变化。而且这个规律和洛伦茨一直以来所珍视的直觉是相符的。洛伦茨一直觉得天气会按照一种相似的规律,随着时间,不断重复,压力升高压力降低,气流偏北气流偏南。他发现如果一条线从高到低下来,没有波动的话,紧跟着就会有两个波动出现,“这才是预报员可以参考的规律”,他说。但是,这种重复从来都不是一模一样的。规律是有的,但是里面有一些差异。一种有序的无序。

试译未通过。

  • Post author: Dali Khan
  • Post link: https://yiti.ml/fy041/
  • Copyright Notice: All articles in this blog are licensed under BY-NC-SA unless stating additionally.

Welcome to my other publishing channels