Эффект Бабочки

Является "Эффект бабочки" 2004 года хорошим фильмом? Определенно, нет, но попытайтесь сказать мне это в 13 лет! И, задумайтесь, что если подобные слова стали бы причиной уничтожения всей человеческой расы — суть эффекта бабочки — маленькие происшествия (сказать тринадцатилетнему, что у него плохой вкус на фильмы) могут привести к огромным, непредвиденным последствиям (третья мировая, ядерный апокалипсис и т. п.).

По крайней мере, именно такая версия этой идеи просочилась в умы общественности. Однако технически эффект бабочки — это метеорологический термин, зародившийся полстолетия назад. Чем он на самом деле является и актуален ли он сегодня или же был вытеснен/дискредитирован — это уже совершенно другой разговор. В связи с этим, почему бы не обратиться к физикам, атмосферным ученым и психологам, чтобы прояснить, как же работает (и работает ли вообще) эффект бабочки.

Оригинал публикации на Gizmodo.

Дейл Дюрран

Профессор и заведующий кафедрой атмосферных наук Вашингтонского университета, чьи исследования включают изучение предсказуемости атмосферы.

Эффект бабочки был представлен Эдвардом Лоренцом в контексте предсказуемости атмосферы. На самом деле, в своих статьях он говорил о крыльях чайки, а не бабочки. Термин эффект бабочки был предложен доктором Филом Мерилессом, как название лекции, проведенной Лоренцом вскоре после публикации статьи в 1969 году.

Эффект бабочки реален в том смысле, что маленькие изменения мелких масштабов могут навсегда изменить погоду, но сомнительно, что бабочка могла бы вызвать какие-либо значительные изменения в атмосфере. Это не идеальный пример, но, как картинка для воображения, более или менее подойдет. Дело в том, что бабочки слишком маленькие, чтобы повлиять на окружающий мир значительным образом.

Однако что-то размеров побольше, вроде самолета или кучевых облаков, со временем может повлиять на погоду везде. Присутствие или отсутствие облака может изменить циркуляцию воздуха, которое, с изменением, повлияет на циркуляции больших размеров, в свою очередь влияяя на циркуляции еще больших размеров, в итоге получается разрастающийся за счет маленького облака каскад. Если взять две планеты с абсолютно одинаковой погодой и добавить такое облако в одну из них над Иллинойсом, то спустя несколько недель погода на этих двух планетах отличалась бы, как два случайно взятых дня той же даты (например, два дня 18 мая случайно выбранных из двух разных годов). Такая разница развивалась бы в течение не менее четырех недель.

Тем не менее, это не правда, что бабочки портят наши прогнозы погоды. Очень маленькие неопределенности насчет погоды больших областей со временем заставляют отклониться идентичные погодные условия и неопределенности на еще больших областях (скажем, области в пару сотен километров), сводя на нет влияние бабочек.

Брайан Свингл

Доцент кафедры физики Мэрилендского университета, изучающий физику квантовой информации.

Эффект бабочки определенно реален: если взять хаотическую систему и провести два эксперимента с двумя различными начальными точками, можно наблюдать разницу в поведении, быстро растущую со временем. Математически со временем разница меж двумя экспериментами будет неоднократно удваиваться, пока не станет огромной.

Еще более сбивающим с толку явлением является квантовый эффект бабочки, возникающий в системах, сочетающих хаос со странной физикой квантового мира. Для таких систем существует понятие квантового хаоса, однако именно диагностика квантового эффекта бабочки является темой текущих исследований. В некоторых случаях можно экспериментально обнаружить свойство, которое ожидаемо неоднократно удвоится, как в случае классического эффекта бабочки. Однако еще не известно, можно ли это применить для общих квантовых хаотических систем.

Эксперименты, пытающиеся изучить это явление, также очень интересны, так как обычно включают специальные наборы атомов и фотонов, спроектированных, чтобы быть высоко контролируемыми и изолированными от внешнего мира. Эксперименты пытаются прогнать динамику системы вперед и назад во времени, как перематывая фильм. Идея в том, что если перемотать вперед и сразу назад, то мы окажемся там, где и начинали, но если перемотать вперед и сделать маленькое изменение перед перемоткой назад, то в хаотической системе мы окажемся в совершенно другом месте.

Дэвид Пинкус

Профессор клинической психологии университета Чепмена, изучающий теорию хаоса и эффект бабочки применительно к психологии человека.

Реален ли он? Определенно, да. Однако в таком случае можно задаться вопросом, а что такое реальность. И вот где начинается веселье.

Эффект бабочки вероятно был впервые "открыт" Пуанкаре в 1900-х. Он пытался решить проблему трех взаимодействующих тел — астрофизики. Если рассматривать гравитационные взаимодействия двух тел в пространстве, то это относительно просто смоделировать: они взаимно влияют друг на друга. Однако в случае с тремя телами все не так просто. Если связать три теннисных мячика и раскачать, то нижний мячик будет двигаться хаотично. Движение нижнего теннисного мячика демонстрирует эффект бабочки, оно не является случайным, но и предсказать его невозможно, и если сделать маленькое изменение, расположение мяча в будущей точке во времени будет совершенно другим.

Одним очевидным примером, где это применяется есть фрактальная геометрия. Фрактал — это самоподобная разветвляющаяся структура, встречающаяся повсеместно в природе: в деревьях, нейронах и т. п. Если взглянуть на системы, проявляющие эффект бабочки и являющиеся хаотическими, они производят фрактальные паттерны — если взять 10 000 точек данных, то можно увидеть изменение фрактальных паттернов во времени, так называемые траектории. Комплексные системы с множеством различных компонентов, сложным образом взаимодействующих для получения согласованного результата, как рост деревьев, нейронов и волн в океане, и миллиона других вещей в природе, также производят фрактальные паттерны.

Я опубликовал исследование в январе, где мы измеряли структуру личности и нашли фрактальную структуру. Оказывается, таким же образом можно измерять личность, и структура личности более жизнерадостных и здоровых людей будет ветвистая; структура более полная и менее жесткая.

Мой коллега из Германии Гюнтер Шайтек, на мой взгляд, сделал больше других, если говорить о применения теории хаоса непосредственно к психологии, и он пытается найти эффект бабочки через психотерапевтический процесс. Суть его работы заключается в том, что он построил математическую модель, применяемую к изменениям личности во время психотерапии, и, в случае запуска модели, она производит эффект бабочки. Это означает, что небольшие изменения в психотерапии могут привести к различным результатам в будущем. Его модель — это доказательство концепции, что эффект бабочки может быть ключевым для процессов человеческого изменения во времени. Он отслеживал данные клиента на протяжении времени и они отлично совпадали с его моделью. Таким образом, эффект бабочки является реальным не только с математической точки зрения и в различных областях науки, но и с точки зрения психологических изменений и роста.

Дуглас Стэнфорд

Доцент кафедры физики Стэнфордского института теоретической физики, изучающий квантовую гравитацию, квантовую теорию поля и теорию струн.

Эффект бабочки реален, но его сложно обнаружить. Чтобы сделать его заметным, можно представить эксперимент с машиной времени. Вы путешествуете назад во времени и меняете маленькую несущественную вещь, как положение атома. А затем, в настоящем все изменится случайным образом.

По сути, это был сюжет рассказа "И грянул гром", и в нем Рэй Брэдбери многое угадал правильно. Однако он недооценил, насколько сильным будет переустройство настоящего. Правило большого пальца состоит в том, что вещи, которые легко предсказать в прошлом, не изменятся в настоящем, тогда как сложно предсказуемые изменятся.

Иллюстрации в тексте: Tyler Smith, Serjan Burlak, Sylvain Sarrailh, Andi GreyScale.