「蝴蝶效應」原來只是個科學寓言，其背後藏著個有趣的科學故事

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蝴蝶效應是個啥

20世紀70年代，美國氣象學家洛倫茲提出，亞馬遜雨林一隻蝴蝶偶爾振動翅膀，也許兩周後就會引起美國得克薩斯州的一場龍捲風。儘管這個比喻有些嘩眾取寵，言過其實，但是它隱喻著我們生活中的種種現象：初始條件十分微小的變化經過不斷放大，將導致未來前景的巨大差異。

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蝴蝶效應背後藏著個有趣的科學故事

一位氣象學家怎麼會「杜撰」這麼一個「蝴蝶」的寓言呢？這得從他的科學發現講起：

為了預報天氣，洛倫茲用計算機求解模擬地球大氣的13個方程式，主要研究了三個非線性氣象因素——溫度、氣壓、風速——之間的關係，意圖是利用計算機的高速運算來提高長期天氣預報的準確性。完成冗長的計算之後，洛倫茲決定對結果進行複核，只保留小數點後3位，而不是原先的後6位。前後結果比較發現，兩條曲線完全不一樣。（這簡直是不可思議的事啊！）

隨後，洛倫茲完成了模擬地球大氣的13個方程式的求解，並模擬出了不同條件下的圖解，如圖所示：

因為方程式的圖解非常像一隻張開翅膀的蝴蝶，結合之前發現的結論（一個微小的誤差隨著不斷推移將造成巨大的後果），洛倫茲創造了一個新的寓言故事——蝴蝶效應。

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蝴蝶效應是混沌理論的代名詞

寓言終歸是寓言，洛倫茲通過 「蝴蝶效應」的發現歷程，發表了著名的論文《決定性非周期流》，首次從數值計算中發現非線性的初值敏感性和最重要的洛倫茲奇異子，第一次系統地揭示了發生在確定性系統中（方程式組成的確定性系統）的貌似隨機的不規則運動（蝴蝶形狀的運動軌跡），並將其命名為混沌運動。

因首次發現混沌現象，洛倫茲被稱為混沌理論之父。蝴蝶效應也成為了混沌理論的代名詞。

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蝴蝶效應與混沌理論無處不在，無所不能

古語有云：失之毫釐，謬以千里。千里之堤，以螻蟻之穴潰；百尺之室，以突隙之煙焚。有一首翻譯的英文詩寫道：釘子缺，蹄鐵卸；蹄鐵卸，戰馬蹶；戰馬蹶，騎士絕；騎士絕，戰事折；戰事折，國家滅。

在生命科學領域，蝴蝶效應同樣無處不在。例如細胞因子風暴，某次微小的感染激活了若干細胞因子，隨之造成了免疫反應過度激活，可能引發炎症或器官衰竭。

例如癌基因突變，某次單個基因位點的突變，在經過數次細胞傳代後，會發生不同的結局，具體請參見The butterfly effect in cancer: A single base mutation can remodelthe cell, PNAS, 2015, 112(4):1131-1136。

例如心臟節律性地跳動，正常人的心臟不是完美的振蕩器，而是一個混沌系統，Babloyantz A, Destexhe A . Is the normal heart a periodic oscillator? [ J] . Biol Cybern , 1988 , 58 : 203。有專家已經申請了發明專利：一種基於ECG 混沌模型的混沌起搏器控制方法，專利號201210184928.0。

例如病毒感染動力學，病毒感染後，病毒和細胞數量的平衡點和周期波動都可能出現。同時隨著時滯的增加，穩定點被突破，並最終導致混沌模式的出現，具體參見博士學位論文，王開發，病毒感染動力學模型分析，2007年，西南大學。

* 來源：微信公眾號非線性科學與醫學沙龍