Khi Lorenz Phát Hiện Ra Hiệu Ứng Cánh Bướm

Thời tiết và khí tượng là một trong những ví dụ tuyệt vời về hệ thống hỗn loạn. Trên thực tế, nhờ nó mà người ta đã phát hiện ra sự hỗn loạn: Những xáo trộn nhỏ trong bầu

Thời tiết và khí tượng là một trong những ví dụ tuyệt vời về hệ thống hỗn loạn. Trên thực tế, nhờ nó mà người ta đã phát hiện ra sự hỗn loạn: Những xáo trộn nhỏ trong bầu khí quyển có thể làm thay đổi khí hậu với tỷ lệ rất lớn. Người phát hiện ra nó là nhà khí tượng học người Mỹ Edward Norton Lorenz (1938-2008).

Bài báo mà ông trình bày kết quả của mình vào năm 1963 là một trong những thành tựu vĩ đại của khoa học vật lý của thế kỷ 20, mặc dù lúc đó ít nhà khoa học nào khác ngoài các nhà khí tượng học chú ý đến nó.

Tác động của bài báo đó đã thay đổi hoàn toàn trong những thập kỷ sau đó. Câu nói nổi tiếng “Con bướm rung rinh ở Brazil có thể tạo ra cơn lốc xoáy ở Texas” mà Lorenz đã đưa vào một bài giảng ngày 29 tháng 12 năm 1972, tại một phiên họp thường niên của AAAS (Hiệp hội vì sự tiến bộ của khoa học Hoa Kỳ).

Trước đây, Lorenz đã sử dụng ví dụ về con mòng biển gây bão nhưng cuối cùng đã biến nó trở nên thơ mộng hơn với con bướm, theo đề xuất của một số đồng nghiệp.

Năm 1987, thuật ngữ “hiệu ứng cánh bướm” bắt đầu xuất hiện nhờ cuốn sách bán chạy nhất “Chaos: The Making of a Science” của James Gleick. Sau đó, khám phá của Lorenz đã đến với công chúng.

Đồ thị lực hút Lorenz, một biểu tượng của lý thuyết hỗn loạn. Ảnh: dschwen

Edward Lorenz đang thực hiện nghiên cứu về thời tiết của mình, phát triển các mô hình toán học đơn giản mà ông khám phá các tính chất của chúng với sự trợ giúp của máy tính, thì vào năm 1960, ông nhận thấy có điều gì đó kỳ lạ xảy ra khi lặp lại các phép tính trước đó.

Đây là cách chính ông tái tạo lại các sự kiện và phản ứng của mình trong cuốn sách ông viết nhiều năm sau đó, “Bản chất của sự hỗn loạn”:

“Tại một thời điểm, tôi quyết định lặp lại một số phép tính để xem xét chi tiết hơn những gì đang xảy ra. Tôi dừng máy tính, gõ một dãy số, đã được in ra từ lâu rồi khởi động lại. Tôi ra sảnh đợi uống một tách cà phê và quay lại một giờ sau đó, trong thời gian chờ, máy tính đã mô phỏng thời tiết khoảng 2 tháng. Những con số ‘ra khỏi máy in’ không liên quan gì đến những con số trước đó”.

Tôi ngay lập tức nghĩ rằng một van đã bị hỏng hoặc máy tính có một số lỗi khác, điều này không có gì lạ, nhưng trước khi gọi cho kỹ thuật viên, tôi quyết định kiểm tra xem sự cố nằm ở đâu, biết rằng, bằng cách này, tôi có thể đẩy nhanh quá trình sửa chữa.

Thay vì gián đoạn đột ngột, tôi thấy rằng các giá trị mới lúc đầu lặp lại các giá trị trước đó, nhưng chúng nhanh chóng bắt đầu khác nhau, từng đơn vị, từng đơn vị, ở vị trí thập phân cuối cùng, sau đó ở vị trí trước đó, sau đó ở vị trí thập phân cuối cùng.

Sự thật là sự khác biệt tăng gấp đôi về kích thước ít nhiều liên tục cứ sau 4 ngày, cho đến khi bất kỳ điểm tương đồng nào với số liệu ban đầu biến mất vào khoảng tháng thứ 2.

Điều đó đủ để tôi hiểu chuyện gì đang xảy ra: “Những con số mà tôi đã nhập không phải là những con số ban đầu chính xác mà là những giá trị được làm tròn mà tôi đã cung cấp cho máy in lúc đầu. Lỗi làm tròn ban đầu là nguyên nhân: Chúng liên tục khuếch đại cho đến khi chiếm ưu thế trong giải pháp. Đó là thuật ngữ, “hệ thống hỗn loạn”.

Điều mà Lorenz đã quan sát được bằng thực nghiệm, với sự hỗ trợ của máy tính, là có những hệ thống có thể hiển thị hành vi không thể đoán trước: Những khác biệt nhỏ trong một biến đơn lẻ có ảnh hưởng sâu sắc đến lịch sử tiếp theo của hệ thống.

Vì lý do này, bởi vì nó là một hệ thống hỗn loạn, thời tiết rất khó dự đoán, vì vậy, như chúng ta thường nói, không thể đoán trước.

Ngày càng rõ ràng rằng các hiện tượng hỗn loạn có rất nhiều trong tự nhiên. Chúng ta đã tìm thấy chúng trong các lĩnh vực kinh tế học, khí động học, sinh học quần thể (ví dụ, trong một số mô hình “con mồi săn mồi”), nhiệt động lực học, hóa học và tất nhiên, trong thế giới khoa học y sinh (ví dụ là của một số rối loạn nhịp tim). Dường như nó có thể tự biểu hiện ngay cả trong các chuyển động có vẻ ổn định.

Lên đầu trang