През 1961 г. метеорологът от Масачузетския технологичен институт (MIT) Едуард Лоренц въвеждал числа в програма за прогнозиране на времето. Неговият модел се основавал на дузина променливи, като стойността на една от тях била 0,506127. Когато пуснал модела отново, той закръглил това число до 0,506, след което излязъл от стаята, за да си вземе кафе. Когато се върнал, открил, че тази малка промяна е довела до драстично различна прогноза за времето.
Когато представял получения си новаторски модел на хаоса и потенциала на изключителна хаотична непредсказуемост на срещата на Американската асоциация за развитие на науката (AAAS) през 1972 г., Лоренц поставил въпроса: „Дали когато пеперудата размахва криле в Бразилия това предизвиква торнадо в Тексас?“
Ричард А. Антес, бивш президент на Университетската корпорация за атмосферни изследвания в Боулдър, Колорадо (сега почетен президент), казва, че Лоренц е илюстрирал как „в система от привидно прости математически уравнения, безкрайно малка промяна в началната позиция на частицата може да причини огромни промени в бъдещата ѝ позиция – малка промяна сега може да доведе до гигантска и непредсказуема промяна в бъдещето“.
Хаотичното движение на двойните махала илюстрира как малките разлики в началните условия могат да се натрупат с течение на времето, докато не се получи напълно уникален и непредсказуем резултат.
Тази аналогия – че малки, привидно незначителни действия от страна на отделни хора могат да доведат до смущения или хаос в бъдеще – толкова просто и красиво предадена със завладяващата метафора на Лоренц, е завладяла въображението както на учените, така и на обществеността.
Ефектът на пеперудата „разби науката на философско ниво, показвайки, че моделирането на бъдещето е предвидимо само до известна степен и че „хаосът“, както го е казал Лоренц, винаги присъства, но е труден за разпознаване“, обяснява Бо-Уен Шен, доцент по математика и статистика в Държавния университет в Сан Диего, който е писал обширно за ефекта на пеперудата. Шен смята, че това е така, защото идеята, че дори най-малките смущения могат да имат значително въздействие, „дава надежда на хората, насърчавайки ги да предприемат малки действия, които биха могли да имат дълбок и положителен ефект“.
Концепцията е била обект на филми и наскоро се превърна в тенденция в социалните медии – хората да споделят своите истории за ефекта на пеперудата: привидно случайни събития – повреда на кола, изпуснат влак, повредена обувка – които водят до значими моменти в живота им, като например среща с бъдещ съпруг или избягване на по-голяма катастрофа.
Тези истории често не разбират оригиналната концепция на Лоренц и по-скоро описват съвпадение.
Въпреки че поп културата има склонност да опростява ефекта на пеперудата, учените все още използват концепцията, за да предскажат как това, което правим в настоящето, ще промени бъдещето.
Защо ефектът на пеперудата е предмет на научен дебат
Основното разминаване с популярните интерпретации на ефекта на пеперудата се крие във вярването, че способността на малко смущение да създава организирано смущение на големи разстояния е реално явление.
„[Това] е метафора“, настоява Шен, отбелязвайки, че водещи експерти по темата наскоро са се съгласили, че това е идея, подобна на котката на Шрьодингер: никога научно доказана или опровергана.
„Метафоричното определение на ефекта на пеперудата е широко прието като буквално вярно. Но то не е“, твърди Роджър Пилк-старши, почетен професор в Катедрата по атмосферни науки в Държавния университет на Колорадо. „В крайна сметка, по отношение на това дали едно пърхане на пеперуда може да доведе до развитието на торнадо на хиляди километри разстояние (или дори локално), е, че това не може да стане при никакви обстоятелства. Отговорът е категорично НЕ.“
Ако сте объркани, не се притеснявайте. Дори експертите не са единодушни какво всъщност означава концепцията. През 2024 г. списание Physics Today беше домакин на оживена дискусия по темата между екипа на Шен и професора по климатична физика от Оксфордския университет Тим Палмър, обсъждайки природата на ефекта на пеперудата и неговите последици.
Палмър смята, че когато описва подробно ефекта на пеперудата, Лоренц е описвал как времето е кулминацията на привидно независими атмосферни модели, които колективно и моментно променят околната среда. В подкаст на Оксфорд от 2017 г. той казва да си представим времето като набор от матрьошки: В рамките на система с ниско налягане с ширина 1000 км има 100-километрови гръмотевични облаци, а в тях – подоблаци с турбулентни вихри, а в тези подоблаци – още по-малки турбулентни вихри.
Палмър има свои собствени идеи за това как трябва да се дефинира ефектът на пеперудата и как е неразбран, казвайки в научна статия от 2014 г., че „има крайни хоризонти на предвидимост, които не могат да бъдат разширени чрез намаляване на несигурността в началните условия“.
Шен казва, че ефектът на пеперудата е най-добре илюстриран с помощта на тази пословична народна приказка (записана за първи път от поета Джордж Хърбърт през 1640 г.):
„Поради липсата на пирон, подковата беше изгубена.
Поради липсата на подкова, конят беше изгубен.
Поради липсата на кон, ездачът беше изгубен.
Поради липсата на ездач, битката беше изгубена.
Поради липсата на битка, кралството беше изгубено.
И всичко това заради липсата на пирон за подкова.“
„Стихът подсказва, че всяко леко смущение може в крайна сметка да окаже съществено влияние върху числените интеграции“, отбелязва Шен. „Лоренц вярвал, че фолклорът по-добре илюстрира по-простото явление на нестабилност.“ Стихът ни напомня също, че последващите малки събития няма да обърнат резултата.
Осмисляне на хаоса
Ефектът на пеперудата е изиграл важна роля в научното дефиниране на хаоса.
„Един изключителен принос на проф. Лоренц е, че неговите модели и методи са осигурили основи, които са вдъхновили множество изследвания и са доразвили нашето разбиране за хаотичната природа и ограничената предвидимост“, казва Шен.
Оттогава учените са открили, че хаотичните системи – като времето, растежа на популацията на един вид или дори потока на трафика – създават или единични хаотични решения, които са на пръв поглед случайни, но всъщност са просто свръхчувствителни към началните си условия, или едновременно съществуващи хаотични и точни решения. Незначителните промени не винаги могат да причинят значителни въздействия или ефектите им може да са ограничени в реалния свят.
„Представете си огромна река, течаща към океана. Общото течение на реката влияе върху движението на по-малки водовъртежи и вихрушки. Въпреки че тези по-малки характеристики могат да изглеждат хаотични и непредсказуеми сами по себе си, по-мащабният контекст предоставя рамка за разбиране на тяхното поведение“, обяснява Шен. „Като наблюдаваме тези по-мащабни метеорологични модели, можем да получим по-добра представа за това как тези по-малки, по-хаотични събития биха могли да се развият.“
Или както казва Антес, „не всички пеперуди имат значение“.
Според теорията на Лоренц, не можете да измерите времето днес достатъчно прецизно, за да предскажете точно времето в далечното бъдеще; практическото ограничение за прогнозиране на времето е няколко седмици.
Шен иска да тества тези граници. Той и екипът му са публикували статии, използващи моделите на Лоренц, и са предложили нова перспектива за двойствената природа на хаоса и реда във времето и климата.
Как теорията за пеперудите се прилага към променящия се климат
Докато основната полезност на ефекта на пеперудата се крие в прогнозирането на времето, той може също да помогне на учените да моделират изменението на климата. Наскоро изследователите се надяваха да използват изкуствен интелект, за да симулират ефекта на пеперудата, с цел да подобрят прогнозите за времето. За съжаление, изкуственият интелект не успя да симулира ефекта на пеперудата. Това не отрича ефекта на пеперудата, а просто ни казва, че изкуственият интелект не може да го осъзнае.
Влиянието на Лоренц и неговия ефект на пеперудата продължава да се разгръща. Теорията на хаоса е революционизирала различни области на физиката, биологията, инженерството, икономиката, дори социалните науки. Антес казва, че моделът на Лоренц е оказал огромно влияние върху всички области, в които бъдещето зависи от настоящето.
„Концепцията за ефекта на пеперудата се отнася за почти всяка сложна система, в която бъдещото състояние зависи от настоящото състояние… атмосферата и океаните, климатът, физиката, биологичните системи, включително човешкото здраве, и обществото като цяло, включително икономиката и политическите системи“, казва Антес. „На пръв поглед малки промени могат да имат огромни и непредсказуеми, както и непредвидени последици в бъдеще.“
През 2011 г. MIT откри институт за изследване на климата, кръстен на Лоренц, който финансира научни изследвания без очевидно приложение в реалния свят. Този тип „чисто изследване“, както се нарича, ще ни помогне да научим за всички малки действия, които могат да бъдат толкова значими, колкото и размахването на крилете на пеперудата.
National Geographic
