Edward N. Lorenz - Cha đẻ của thuyết hỗn loạn

Phát hiện tình cờ

Năm 1961, tiến sĩ Lorenz tiến hành chạy các mô phỏng thời tiết bằng cách sử dụng một mô hình máy tính đơn giản. Vào một ngày mùa đông, ông muốn lặp lại một mô phỏng với thời lượng dài hơn. Nhưng thay vì lặp lại toàn bộ mô phỏng, ông bắt đầu chạy thử lần thứ hai từ giữa, nhập số liệu từ lần chạy đầu tiên cho các điều kiện ban đầu.

Ông vẫn dùng chương trình máy tính cũ, vì thế các kiểu thời tiết của lần chạy thứ hai đáng lẽ ra phải giống hệt với lần chạy đầu tiên. Thế nhưng, hai quỹ đạo thời tiết lại diễn ra theo những chiều hướng hoàn toàn khác biệt.

Ban đầu, Lorenz cho rằng máy tính đang gặp trục trặc. Sau đó, ông nhận ra là mình đã không nhập vào chính xác các điều kiện ban đầu. Máy tính lưu trữ các số chính xác tới sáu số thập phân, chẳng hạn như 0,506127. Song, để tiết kiệm chỗ trống, bản in kết quả đã rút ngắn xuống còn ba số thập phân, tức là 0,506. Khi gõ các điều kiện mới vào, tiến sĩ Lorenz đã nhập số làm tròn, chỉ một khác biệt vô cùng nhỏ như vậy đã hoàn toàn thay đổi kết quả cuối cùng.
Tuy rằng mô hình thực hiện đã được đơn giản hóa rất nhiều, nhưng nó cũng khiến tiến sĩ Lorenz nhận ra rằng việc dự đoán thời tiết hoàn hảo chỉ là điều viển vông.

Một dự báo hoàn hảo không chỉ đòi hỏi một mô hình hoàn hảo, mà còn cần kiến thức sâu sắc về gió, nhiệt độ, độ ẩm cùng các điều kiện khác ở bất kỳ nơi nào trên thế giới trong một thời điểm. Dù chỉ một điều khác biệt nhỏ thôi cũng dẫn tới kiểu thời tiết hoàn toàn khác.

Tiến sĩ Lorenz đã công bố phát hiện của mình vào năm 1963. “Bài luận mà ông ấy viết vào năm 1963 là một kiệt tác giải thích rõ ràng về lý do tại sao thời tiết lại không thể đoán trước được”, theo nhận định của J. Doyne Farmer, giáo sư tại Viện Santa Fe ở New Mexico.

Năm tiếp theo, tiến sĩ Lorenz đăng một bài luận khác, mô tả một thay đổi nhỏ các tham số trong một mô hình có thể tạo ra hành vi rất khác nhau, biến các sự kiện định kỳ, đều đặn thành một mô hình hỗn loạn dường như ngẫu nhiên như thế nào.

Tại một cuộc họp của Hiệp hội vì sự tiến bộ của khoa học Hoa Kỳ vào năm 1972, ông đã có một bài phát biểu với tiêu đề thể hiện rõ bản chất ý tưởng của mình: “Khả năng dự đoán: Liệu cái đập cánh của một con bướm ở Brazil có gây ra cơn lốc xoáy ở Texas không?”

Tiến sĩ Lorenz không phải nhà khoa học đầu tiên bước vào lĩnh vực hỗn loạn. Vào cuối thế kỷ 19, nhà toán học người Pháp Henri Poincaré đã chỉ ra rằng tính toán vũ điệu trọng lực của chỉ ba thiên thể thôi là cực kỳ phức tạp, tuy rằng các phương trình chuyển động cơ bản trông rất đơn giản. Đáng tiếc là những phát hiện của Poincaré đã bị quên lãng trong hầu hết thế kỷ 20.

Các bài luận của tiến sĩ Lorenz cũng chịu chung phần nào số phận như vậy. Phải mãi tới giữa những năm 1970 thì giới khoa học mới chú ý tới những phát hiện mà ông đưa ra.

“Cuối cùng khi [bài báo của Lorenz] tiến vào được tầm mắt của cộng đồng, chính nó đã khiến mọi người thực sự bắt đầu chú ý tới ý tưởng này và dẫn tới sự phát triển vượt bậc”, theo Edward Ott, giáo sư vật lý và kỹ thuật điện tại Đại học Maryland. “Ông ấy đã trình bày một mô hình hỗn loạn trong tình huống thực tế”.

Tiến sĩ Lorenz đã mở ra khởi đầu cho một lĩnh vực nghiên cứu mới không chỉ tác động tới lĩnh vực toán học mà đến hầu hết mọi ngành khoa học: sinh học, vật lý và xã hội. Trong khí tượng học, nó dẫn đến kết luận rằng về cơ bản chúng ta không thể dự đoán thời tiết quá hai hoặc ba tuần với mức độ chính xác hợp lý.

Đôi nét tiểu sử

Sinh năm 1917 tại West Hartford, bang Connecticut, Edward Norton Lorenz nhận bằng cử nhân toán học tại Đại học Dartmouth vào năm 1938 và bằng thạc sĩ toán học tại Harvard vào năm 1940. Trong Thế chiến Thứ hai, Lorenz làm công việc dự báo thời tiết cho Quân đoàn Không quân Lục quân Hoa Kỳ. Điều này đã dẫn ông theo đuổi sự nghiệp nghiên cứu sau đại học về khí tượng học; ông lấy bằng thạc sĩ và tiến sĩ về khí tượng học tại Viện Công nghệ Massachusetts vào năm 1943 và 1948.

Trong bản thảo tự truyện, ông chia sẻ rằng: “Từ hồi bé tôi đã luôn hứng thú với việc mày mò các con số, đồng thời hứng thú với những thay đổi của thời tiết”.

Tiến sĩ Lorenz là nhân viên của khoa khí tượng học của M.I.T. từ năm 1948 đến năm 1955, khi ông trở thành phó giáo sư. Ông được thăng thành giáo sư vào năm 1962 và đảm nhiệm chức trưởng khoa từ năm 1977 đến năm 1981. Ông được phong giáo sư danh dự vào năm 1987.

Lorenz được bầu vào Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia năm 1975, ông cũng giành được nhiều giải thưởng, danh hiệu và bằng danh dự. Năm 1983, ông và cựu giáo sư MIT Henry M.

Stommel cùng được Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển trao giải thưởng Crafoord trị giá 50.000 USD, một giải thưởng được thành lập để công nhận những lĩnh vực không đủ điều kiện nhận giải Nobel.

Năm 1991, tiến sĩ Lorenz đã được trao giải thưởng Kyoto cho khoa học cơ bản trong lĩnh vực khoa học trái đất và hành tinh, đây là giải thưởng do Chính phủ Nhật Bản trao tặng, còn được gọi là giải Nobel châu Á. Lorenz được ủy ban Giải thưởng Kyoto khen ngợi vì đã thiết lập “cơ sở lý thuyết về khả năng dự đoán thời tiết và khí hậu, cũng như cơ sở cho vật lý khí quyển và khí tượng học sử dụng máy tính”. Ủy ban nói thêm rằng Lorenz “đã đạt được thành tựu khoa học táo bạo nhất khi khám phá ra ‘sự hỗn loạn tất định’, một nguyên lý đã ảnh hưởng sâu sắc đến một loạt các ngành khoa học cơ bản và mang lại một trong những thay đổi mạnh mẽ nhất trong quan điểm của nhân loại về tự nhiên kể từ Ngài Isaac Newton.”

Một số nhà khoa học đã khẳng định rằng thế kỷ 20 sẽ được ghi nhớ với ba cuộc cách mạng khoa học – thuyết tương đối, cơ học lượng tử và thuyết hỗn loạn.

Tiến sĩ Lorenz vẫn hoạt động tích cực gần như cho đến cuối đời, trong cả hoạt động nghiên cứu lẫn hoạt động ngoài trời. Con gái ông là cô Cheryl Lorenz cho biết trước khi mất hai tuần rưỡi ông đã tham gia đi bộ trong rừng, và một tuần trước khi từ giã cuộc đời ông đã hoàn thành một bài luận với đồng nghiệp.

Ông qua đời ngày 16/4/2008 vì bệnh ung thư.

Nguồn: nytimes.com, news.mit.edu