蝴蝶效应是什么？

坐在清澈的溪水旁，四周鸟声悦耳，正陶醉在自然的美景之中时，平缓流动的溪水倏然忽左忽右旋转起来，漩涡一个套一个，井然有序，一个精巧别致的漩涡体系须臾形成。这就是湍流，令科学家至今还在探索形成原因的自然奇观。

随处可见的湍流

▲湍流现象

湍流随处可见，与人类生活紧密相关。在烟囱冒出的滚滚浓烟中；在奔泻着的江河中；在飞机航线上（漩涡气流颠簸飞机）；在大气层中（漩涡气流使天气难以预报）。科学家已对湍流进行了长时间研究，发现湍流的基本形式是小漩涡或涡流。当你搅拌咖啡或糖水时，就会产生一两个漩涡，而在江河流水或大气层中的大规模湍流中却有成百上千的漩涡，它们一个套一个，一个连接一个，彼此相关。这一特性可以列成方程，用计算机显示出来。这种方程叫做非线性方程。

名垂物理学史的实验

在19世纪，英国物理学家雷诺做过一个名垂物理学史的实验。首先将染料注入水流缓缓流动的管道中心，发现染色线以直线或流线的形式通过管道，他将这种类型的流动叫做层流，后在大管道中将水流加速，结果染料以复杂的方式旋转，通过管子后就交相融合或混合了，水流变成了湍流。他发现，流体变成湍流的可能性可由一个无量纲数表示，后人称这个数为雷诺数，它等于流体的速度乘以管道的直径，再除以流体的粘性系数。雷诺数越大，湍流越容易出现，反之则较难出现。流速大且粘性较小的液体在较大尺寸的物体中流动时容易产生湍流，而粘性大的液体则难产生湍流。水流动时的雷诺数可高达数百万，而汤匙搅拌的糖浆则只有约0.1。地壳下的岩浆则更小，不逾百万分之一。因此，它是决不会变成湍流的，除非在随火山爆发喷发时。

当流过圆柱体的流体的雷诺数约为40时，流体在圆柱体周围开始摆动；当雷诺数增至300时，摆动就开始分解为无规则的、沿圆柱体顺流而下的湍流；雷诺数在高达数千时，湍流环绕着圆柱体流动。层流如何转变为湍流是一个妙理幽深诱人研究的问题，现已基本清楚，它原来与紊乱或混沌休戚相关。所谓混沌就是一种极端的无序。

“蝴蝶效应”的应用

美国麻省理工学院的洛伦兹在20世纪70年代发现的混沌性表明，只有几个因素的简单确定性系统也会产生随机性的行为。例如，一个滴水龙头，当水流速度不高时，会很有规律地滴下水来，连续滴水的时间间隔几乎相同，但当水流速度较高时，水滴虽然仍一滴滴分开落下，其滴嗒的方式却始终不重复，就如一个有无限创造力的鼓手能敲击花样无穷的鼓点。这种毫无规律但仅由速度这个确定性因素决定的滴水现象就是一种混沌现象。混沌系统对初始影响非常敏感，可谓失之毫厘谬以千里。洛伦兹曾在60年代用“蝴蝶效应”风趣地说明了天气为什么难以长期预报：气象台也许能全面地考虑各种气象条件。如果由这些气象条件决定的天气再不受其他因素影响了，气象台原则上应能长期预报天气，然而气象台却无法考虑到诸如“蝴蝶拍打它的翅膀”这样一些小因素的影响。这些小因素本身并不能直接左右天气，而是因为天气是一个混沌系统，对这些小因素很敏感，它们很容易与某些气象条件如风速，风向等一道使整个气象条件发生急剧变化，如使大气层流变成湍流，产生一个个大气漩涡，最终使气候发生变化，造成天气误报。

▲洛伦兹

上述蝴蝶拍打翅膀对大气湍流的形成起到了“种子”的作用。物理学家认为，湍流就是因这些“种子”的影响被急剧放大而形成的。物体表面某些不规则或规则的部分，如溪底某个凸起的尖石（溪流在这里可能形成湍流）或圆柱体（水流过圆柱体时可能形成湍流）等是种子，物体的各种振动及原始漩涡均是种子。从时间角度看，层流具有明显的周期性，湍流则无周期性可言，或者说周期为无穷长。所谓周期性是指系统具有每隔一定时间就恢复原来状态的特性。科学实验表明，层流周期随雷诺数增加或减少而变化。在某一雷诺数上周期将倍增，雷诺数进一步增加会导致进一步的倍增，周期增至无穷大后，层流就成了湍流。物理学家菲金鲍姆还发现了预测连续周期倍增间隔的方法，这个连续间隔比率由一个通用“幻数”4.66920给出。

蝴蝶效应

蝴蝶效应通常用于天气、股票市场等在一定时段难以预测的比较复杂的系统中。如果这个差异越来越大，那这个差距就会形成很大的破坏力。为什么天气或者是股票市场会有崩盘和不可预测的自然灾害。在心理学方面，蝴蝶效应指一件表面上看来毫无关系、非常微小的事情，可能带来巨大的改变。此效应说明，事物发展的结果，对初始条件具有极为敏感的依赖性，初始条件的极小偏差，将会引起结果的极大差异。