物理学的杰作,埋藏在⽆⼈光顾的⽓象学⽂献⾥

作者: James Gleick

来源: 返朴

发布日期: 2022-08-27 08:00:21

20世纪五六⼗年代,对于天⽓预报的不切实际的乐观主义情绪弥漫,冯·诺伊曼的计算机设计意图包括控制天⽓,但忽视了混沌的可能性。到了80年代,美国的顶尖天⽓预报员使用超级计算机运行天⽓模型,欧洲中期天⽓预报中⼼的成功归功于其轮转的年轻才俊和先进的计算机。洛伦茨的论⽂展示了混沌的丰富意涵。

在 20 世纪五六⼗年代,到处弥漫着对于天⽓预报的不切实际的乐观主义情绪。报纸和杂志上充斥着对于⽓象科学的冀望,不只是天⽓预报,还有⼈⼯影响天⽓和天⽓控制。有两种技术正在⽇渐成熟,那就是电⼦计算机和⼈造卫星。⽽⼀项称为全球⼤⽓研究计划的国际合作项⽬也正在准备充分利⽤它们。当时的⼀种思想是,⼈类社会将从天⽓的变化⽆常中解放出来,从其受害者摇身变成其主⼈。短程线穹顶将罩住⽟⽶地。

⻜机将直接往云中播散催化剂。科学家将学会如何造⾬和⽌⾬。

这种思潮的思想之⽗是冯·诺伊曼,他在设计⾃⼰的第⼀部计算机时所意图的功能之⼀就是控制天⽓。他召集了⼀帮⽓象学家,并向⼀般科学界宣传他的计划。对于⾃⼰的乐观主义,他有⼀个数学上的具体理由。他注意到,⼀个复杂的动⼒系统可以具有⼀些不稳定点——⼀些临界点,在那⾥,轻轻⼀推就会引发重⼤后果,就像轻推⼭顶上的球⼀样。

⽽冯·诺伊曼设想,有了计算机的帮助,科学家就能够计算出流体运动的⽅程组在接下来⼏天的⾏为。然后⼀个由⽓象学家构成的中央委员会将派遣⻜机去播散烟幕或播云,从⽽将天⽓推向想要的⽅向。但冯·诺伊曼忽视了混沌的可能性,⽽到时每⼀点都将是不稳定的。

到了 20 世纪 80 年代,专⻔有⼀个庞⼤的机构不惜耗费巨资去追求冯·诺伊曼的⽬标,⾄少是其中的天⽓预报部分。

在⻢⾥兰州郊区(靠近华盛顿环路)的⼀栋外表朴素、屋顶布满雷达和⽆线电天线的⽅盒⼦建筑⾥,美国的顶尖天⽓预报员济济⼀堂。他们的超级计算机所运⾏的天⽓模型与洛伦茨的只在最基本的精神上相似。相较于皇家–⻨克⽐ LGP - 30 能够每秒进⾏六⼗次乘法运算,⼀部 CDC Cyber 205 ⼤型机的威⼒以每秒百万次浮点运算计。

⽽相较于洛伦茨满⾜于⼗⼆个⽅程,现代的全球天⽓模型处理的是包含 500,000 个⽅程的系统。他们的模型理解随着空⽓收缩和膨胀,⽔汽释放和吸收热量的⽅式。数字化的⻛会受到数字化的⼭脉的影响。⽽每个⼩时,来⾃全球各个国家的数据,来⾃⻜机、卫星、船舶的数据会汇集到这⾥。美国国家⽓象中⼼⽣产出了世界上第⼆好的天⽓预报。

最好的天⽓预报则出⾃英格兰的雷丁镇,⼀个距离伦敦⼀⼩时⻋程的⼤学⼩镇。

欧洲中期天⽓预报中⼼坐落在⼀处树⽊掩映的建筑当中,这是⼀栋有着联合国⻛格的现代砖和玻璃建筑,⾥⾯还摆放着各地赠送的礼物。它是欧洲共同市场精神全盛之时的产物,当时⼤多数⻄欧国家决定汇集各⾃的⼈才和资源,以求做出更精准的天⽓预报。欧洲⼈将他们的成功归结为他们轮转的年轻才俊(没有公务员)以及他们的克雷超级计算机(似乎总是⽐美国⼈所⽤的计算机先进⼀个型)。

多年以后,物理学家会眼带向往之情地谈论起洛伦茨那篇讨论这些⽅程的论⽂——“那篇美丽的杰作”。有史以来第⼀次,洛伦茨的图像得以向我们清楚展示,说“这很复杂”究竟意味着什么。混沌的所有丰富意涵都在那⾥⾯。

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