了解混沌，换个角度看世界——读《混沌——开创一门新科学》
据诺贝尔奖官网消息，2021年诺贝尔物理学奖将一半颁给了真锅淑郎克劳斯·哈塞尔曼表彰他们“地球气候的物理建模，量化可变性并可靠地预测全球变暖”。另一半颁给了乔治·帕里西 表彰他“发现了从原子到行星尺度的物理系统中无序和波动的相互作用”。
他们发现了气象以及其他复杂系统中隐藏的奥秘，三位获奖者因对复杂系统的研究而分享了今年的诺贝尔物理学奖。
真锅淑郎和克劳斯·哈塞尔曼为我们了解地球气候以及人类如何影响地球气候奠定了基础。乔治·帕里西 因其对无序和随机现象理论的革命性贡献而获奖。
所有复杂系统都由许多不同的相互作用部分组成。几个世纪以来，物理学家一直在研究它们，这些很难用数学方法来描述——它们可能被大量的因素影响或者受随机因素的支配。
这些复杂系统是混沌的，比如天气，初始值的微小偏差将会导致随后的巨大差异。今年的获奖者为我们研究这类系统以及它们的长远应用发展做出了贡献。
地球的气候是众多混沌系统之一。真锅淑郎和哈塞尔曼因其在开发气候模型方面的开创性工作而获得诺贝尔奖。帕里西则是因其对复杂系统理论中大量问题提出了理论解决方案而获奖。
所以说他们是因为研究混沌系统作出了突出贡献，从而获得了诺贝尔奖。
混沌理论与相对论和量子理论被并称为“二十世纪三大革命科学”，由美国詹姆斯·格雷克著，楼伟珊翻译的这本《混沌——开创一门新科学》从混沌现象的发现，到理论的发展历程都做了一个完整的阐述。
作者詹姆斯·格雷克，1954年生于纽约，是美国的科普畅销书作家，已出版数部十分畅销科普著作，其中《混沌》，《费曼传》、《牛顿传》以及《信息简史》等书多次获得美国国家非文学类图书奖提名。
整本书通读下来，介绍了各个学科的科学家们对混沌现象及混沌理论的记录和研究，活生生的展现在读者面前，书中大量引用了科学家的研究案例及方法，涉及到的物理，数学等知识比较多，所以对阅读者的科学素养要求比较高。感兴趣想挑战自己的可以先了解下文，帮助你更好地理解这本书：
一.什么是混沌
混沌是一种现象和状态，混沌具有非线性、类随机、无规律、模糊关系、对初值极其敏感等特性，混沌系统是一个与确定性系统有着显著区别的混沌系统，具有对初值极其敏感特性，即系统的初始值发生细微的变化，其输出结果会产生巨大的差异。因此混沌系统的混沌行为看似无规律却又有规律，因为它的运动状态在任何一个时刻都是可以确定，因此可以说研究混沌学就是研究混沌中蕴含的“看似无规律却是有规律”的混沌行为。
1.混沌系统中的“蝴蝶效应”。大多数人其实都听过或接触了混沌系统，其中最著名的就是20世纪60年代，美国著名气象专家Lorenz 发表的《确定性非周期流》论文中首次提出的“蝴蝶效应”。
“蝴蝶效应”被广泛传播解释为森林里的某一个角落里有一只蝴蝶煽动翅膀，会引起太平洋的海啸。
书中对洛伦兹的研究进行了详尽的叙述，向读者解释了“蝴蝶效应”并不是真的说一只蝴蝶煽动翅膀就会引起一场海啸，这只是一种形象的比喻，用来说明预测结果对初始条件微小误差的敏感性。
1961年，气象学家洛伦兹建立了一个简化的气象模型，这个模型一共用了12个参数，用来表征基本的气象特征，诸如气压、温度等等。
他在计算机上运行这个模型时，从运行中段的某一时刻作为初始点来运行。按道理程序不变，初始点是来自上一次运行结果，那么再运行多少次，最终得到的结果都是一样的。但是这一次不同，洛伦兹发现，这次的运行结果和上次大相径庭，仅仅在一开始的很短时间内重复了上一次的结果，但是很快就偏离了，并且偏离得毫无规律，就好像这个结果是来自一个完全不同的程序。
洛伦兹决定好好看看哪里出问题了。他很快发现了问题所在：当他从中段重新运行这段程序的时候，他并没有直接取用存储在电脑里的中间数据作为初始点，而是从打印出来的数据上手抄进电脑。当时的电脑精度并不太高，但是中间数据也有很多位（0.506127），但是他抄写的却只有0.506三位数，这样就有了0.025%的偏差。就是这么一丢丢偏差，导致了运行结果的截然不同。于是他发现，这段程序有一个特点，就是对初始条件的极端敏感 。
我们说极端敏感，到底有多敏感呢？答案是， 非常 。洛伦兹很快把这次结果发表了一篇论文 。在论文中他这样说：
“一个气象学家这么评价：如果这个理论是正确的，那么，一只海鸥忽闪一下翅膀，就足以永久地改变天气走向。”
这个比喻很形象地描述了预测结果对初始条件微小误差的敏感性。后来，在1973年，在第139届美国高等科学学会（American Association for the Advanced Science）会议上，他做了一个报告。会议的主持人给了这个报告一个很有诗意的名字，叫做“ 巴西某个蝴蝶闪动一下翅膀会引发德克萨斯的一场飓风吗？ ”。至此，人们所熟知的“蝴蝶效应”就正式登入了科学史册并被人们熟知。
所以我们知道了所谓“蝴蝶效益”，并不是说蝴蝶煽动翅膀就真的会引起一场海啸。而是引起海啸的因素太多了，即使细微的因素变化也还会导致一场海啸的发生。
2.混沌系统的奇怪吸引子
奇怪吸引子，由法国物理学家D.吕埃尔和F.泰肯在1970年左右引入。所有的运动系统，不管是混沌的还是非混沌的，都以吸引子为基础，它因具有倾向于把一个系统或一个方程吸引到某一个终态或终态的某种模式而得名。
从整体上讲系统是稳定的即吸引子外的一切运动最后都要收敛到吸引子上.但就局部来说吸引子内的运动又是不稳定的即相邻运动轨道要相互排斥而按指数型分离.
奇异吸引子是混沌运动的主要特征之一。奇异吸引子的出现与系统中包含某种不稳定性有着密切关系。它具有不同属性的内外两种方向：在奇异吸引子外的一切运动都趋向（吸引）到吸引子，属于“稳定”的方向；一切到达奇异吸引子内的运动都互相排斥，对应于“不稳定”方向。
奇异吸引子的一个著名例子是洛伦茨吸引子，它是在研究天气预报中大气对流问题的洛伦茨模型中得到的。洛伦茨吸引子由“浑然一体”的左右两簇构成，各自围绕一个不动点。当运动轨道在一个簇中由外向内绕到中心附近后，就随机地跳到另一个簇的外缘继续向内绕，然后在达到中心附近后再突然跳回到原来的那一个簇的外缘，如此构成随机性的来回盘旋。
一个像洛伦兹吸引子这样的吸引子揭示了一个原本看上去行为杂乱无章的系统的稳定性和隐藏结构。
二.混沌研究的意义
混沌不是偶然的、个别的事件，而是普遍存在于宇宙间各种各样的宏观及微观系统的，万事万物，莫不混沌。混沌也不是独立存在的科学，它与其它各门科学互相促进、互相依靠，由此派生出许多交叉学科，如混沌气象学、混沌经济学、混沌数学等。
混沌学不仅极具研究价值，而且有现实应用价值，能直接或间接创造财富。理论上研究混沌的目的是多方面的：揭示混沌的本质（内在随机性）、刻画它的基本特征、了解它的动力性态，并力求对它加以控制，使之为人类所用。
近年来的大量研究工作表明，混沌与工程技术联系愈来愈密切，它在生物医药工程、动力学工程、化学反应工程、电子信息工程、计算机工程、应用数学和实验物理等领域中都有着广泛的应用前景。在应用方面，主要包括混沌信号同步化和保密通信，混沌预测，混沌神经网络的信息处理、混沌与分形图像处理，基于混沌的优化方法、混沌生物工程、天气系统、生态系统、混沌经济等。此外，控制混沌的技术还被应用到神经网络、激光、化学反应过程、流体力学、非线性机械故障诊断系统、非线性电路、天体力学、医疗以及分布参数的物理系统的研究工作中去。当前，在一些混沌显得非常重要而且有用的领域，有目的地产生或强化混沌现象已经成为一个关键性的研究课题。
混沌理论在教育行政、课程与教学、教育研究、教育测验等方面已经有些许应用的例子。由于教育的对象是人，人是随时变动起伏的个体，而教育的过程基本上依循一定的准则，并历经长期的互动，因此，相当符合混沌理论的架构。也因此，依据混沌理论，教育系统容易产生无法预期的结果。此一结果可能是正面的，也有可能是负面的。不论是正面或是负面的，重要的是，教育的成效或教育的研究除了短期的观察之外，更应该累积长期数据，从中分析出可能的脉络出来，以增加教育效果的可预测性，并运用其扩大教育效果。
混沌理论，是系统从有序突然变为无序状态的一种演化理论，是对确定性系统中出现的内在“随机过程”形成的途径、机制的研讨。
三.混沌带来的启示
1.让我们看清这个世界。我们从小就被教授那些有解析解的系统，当面对一个非线性系统时，不得不用线性替代它，或者找到其他某种未知可否的方法。教科书向学生介绍的也只是一些罕见的可用这样一些技巧解决的非线性系统。会实际生产混沌的非线性系统极少被教授，也极少被学习。当人们偶然遇到这样一些东西时，他们接受的所有训练告诉他们，这些不过是非典型行为，可以不加理会。只有少数人能够记起，有解的有序的线性系统才是非典型的。也就是说，只有少数人理解大自然的本质是非线性的。
线性回归图形
2.改变我们的行为方式。
我们已经知道了我们的生活中充满了混沌，从湍流到天气，从野生动物种群数量的涨落到心脏和脑中的震荡，从证券市场的起伏到经济周期的运行。混沌和我们的学习，生产，科研都息息相关。
混沌系统向我们揭示了我们对因果关系的一个基本的错误认识。我们过去认为，简单的原因必定产生简单的结果(这意味着复杂的结果必然有复杂的原因)，但我们知道了，简单的原因可以产生复杂的结果。我们认识到，知道这些规律不等于能够预言未来的行为。
当我们了解了混沌就能分辨出哪些是混沌现象，从而改变我们以往错误无效的决策和行为方式。
对制度制定者来说，它能警示我们，一个微小的机制，如果不加以及时地引导、调节，可能会给社会带来非常大的危害，戏称为“龙卷风”或“风暴”；一个微小的机制，只要正确指引，经过一段时间的努力，将有可能会产生轰动效应，或称为“革命”。
对企业管理者来说，企业是复杂的“开放”系统，既影响着其所处的环境，又在很大程度上受环境的影响。这意味着，企业的行动可能无法达到它所预期的结果。
环境是瞬息万变的（不断创造着机会和威胁）。高层管理者不能指望制定出在付诸实施时仍完全有效的详尽战略。
作为传统决策理论基础的简单线性因果关系模型已经失灵。因此，各种事件的后果是无法预料的。
对投资者来说，混沌的自相似性特征也能在证券市场得到应用。周K线图看上去与日K线图、小时K线图、5分钟K线图的形状十分相似，这就是证券市场价格的分形特征，我们可以应用5分钟K线图或者小时K线图来推断日K线图或周K线图的形状，为投资决策服务。
科学的就在于教会人们认识世界，改造世界。而对科学的不断探索，更是一种难人可贵的追求真理的勇气与精神。混沌理论带给我们看待世界的一个崭新的视角，正如本书的题目所言，经过众多科学家的探索与求真，开创了一门新的科学。
