前言 迷人的混沌

從讀者的角度來看，跳過一本書的前言直接切入正題是很常見的舉動。至少，我就經常這樣做。

如果你閱讀本書時也這樣做了，這的確不會影響你理解本書的主題，即不確定性科學如何幫助我們理解這個不確定且難以預測的世界。但你可能會有些疑惑，既然生活中所有的事情都是不確定的，我為什么要關注本書聚焦的那些看似不相干的特定話題，例如氣候變化、經濟學、量子物理學與宇宙學、人類的創造力和意識等，為什么不討論地震、藥物開發或網絡攻擊？原因與我的學術背景有關。

我在20世紀70年代攻讀博士學位時曾研究過愛因斯坦的廣義相對論。早在我十幾歲的時候，愛因斯坦就是我心目中的英雄。我很幸運，因為20世紀70年代被視為廣義相對論的黃金時代。1974年，在我參加的第一場學術會議上，當時還能開口講話的斯蒂芬·霍金發布了他最重要也最著名的發現，即黑洞并不是真正的一片漆黑，而是會向外輻射粒子。

我的導師丹尼斯·夏馬曾經擔任霍金博士階段的導師。1他為霍金的這一發現欣喜若狂。夏馬一度樂觀地認為，人類即將實現將廣義相對論與成功地描述了原子和基本粒子的量子力學相結合的理論突破。但是，一些問題也隨之浮現。其中一個讓夏馬感到困擾的問題是，霍金的計算過程過于晦澀難解。夏馬堅信必有一種在物理學上更為清晰的方法來論證這個如此重要的結論。他開始考慮一種基于非平衡熱力學的新思路。夏馬讓我研究我之前未曾聽說過的“最大熵產生原理”。

在博士研究快結束時，我已經成為黑洞研究領域的專家，并成功在劍橋大學的霍金小組得到了博士后的研究職位。2一切似乎都預示著我會成為一名理論引力物理學家。

但是，隨著對新身份的了解日漸深入，我開始懷疑這是否真的是我理想中的工作。我所做的研究與普通人的幸福感幾乎沒有關系。而且，最重要的是，我意識到，世界上對我的研究內容與細節真正感興趣的專業人士寥寥無幾。

假如我認為自己真的能成功將量子力學與廣義相對論統一起來，那這些疑慮也許算不了什么。這項任務在20世紀70年代堪稱物理學界的圣杯，時至今日，它的地位依然沒有改變，而且依然懸而未決。然而，我越想就越覺得這兩個理論在概念層面上是根本不兼容的，它們不可能被統一，至少我無法做到這一點。

那個時代的主流觀點是人們應該忽略這些概念層面的問題，專心于數學計算，希望最終會出現奇跡。美國物理學家戴維·默明（David Mermin）戲稱其為“閉上嘴，埋頭計算”。但是，這不是所有人的看法。我不禁回想起1974年我參加的那場會議。會議由英國著名理論物理學家克里斯·艾沙姆（Chris Isham）主持。他在開場白中提到：“如今，將注意力集中于這些概念層面的問題的做法已經不流行了，大多數人寧愿將重心放在更‘值得’的技術難題上。然而，在量子引力領域，概念性和技術性的問題往往密不可分，對前者的忽略可能導致后者變得無關痛癢?！?span id="czvwa4h" class="super">3

這些話引起了我的共鳴。我開始擔憂自己正投身于一些終將被證明無關痛癢的工作。

一次偶然的機會，我遇到了世界著名的氣象學家雷蒙德·海德。他對天文學和氣象學都很感興趣，而且是唯一一個同時擔任過英國皇家天文學會和皇家氣象學會主席的人。當時我向他請教氣候物理學有什么新發現，他向我介紹了一位澳大利亞同仁的一篇論文。該論文闡述了如何由最大熵產生原理推導出地球氣候的一些特性。4他的話就像一道閃電擊中了我。這不正是我最近才意識到的物理學中某個仍未顯露真顏的概念嗎！從黑洞蒸發到地球氣候系統結構，這一概念似乎可以將與之相關的所有事物統一起來！

那個時候，英國氣象局正在招募科學家。我近乎沖動地申請了這份工作，但尚不確定這就是我真正想要的工作。面試時，我語無倫次地談論了最大熵產生原理對理解氣候的至關重要的意義。令我大為吃驚的是，我竟然得到了這份工作。

但是，我要拒絕與一位世界頂級理論物理學家共事的機會，轉而進入更為平淡的科學公共服務界，在一個我對其幾乎一無所知的領域工作嗎？如果我拒絕由霍金發出的工作邀請，我的父母一定會對我感到失望。我不知道該怎樣選擇，每天都在猶豫不決中度過。于是，我決定先把這個問題擱置幾天，回去寫我的論文。大約一周后的一天，當我走進辦公室時，突然發覺我要做什么的念頭變得清晰起來。沒有更多猶豫，我提筆寫信給劍橋大學應用數學與理論物理系的系主任，謝絕了他的邀請。

我的大腦發生了什么變化，使我突然間就知道了該做些什么，就在不久之前，我還像以法國哲學家布里丹（Buridan）命名的那頭驢子一樣，饑渴之下不知該如何在一堆干草和一桶水之間做出選擇。我因此開始對大腦的決策過程產生了濃厚的興趣。

在過去的10年里，我不再深入思考基礎物理。我沉浸在與天氣和氣候有關的科學中，并與同事們一起取得了一些令人興奮的突破。邁克爾·麥金泰爾（Michael McIntyre）和我在地球大氣平流層發現了世界上最大的破碎波。它對于解釋為什么會在南極上空意外發現臭氧空洞來說至關重要?？死锼埂じＬm（Chris Folland）、戴維·帕克（David Parker）和我共同證明了撒哈拉以南薩赫勒地區長達10多年的干旱是由大西洋熱帶區域海水溫度的波動引起的。1985年著名的“拯救生命”音樂會正是為了呼吁對那里災情的關注而舉辦的。格倫·舒茨（Glenn Shutts）和我聯合開發了一種在天氣預測模型中表示小規模大氣重力波的方法，這種重力波不同于我此前研究的廣義相對論中的引力波。我們還證明了如何利用它幫助航空公司提高燃油效率。詹姆斯·墨菲（James Murphy）與我合作，開創了世界上首個集合預測系統，這一點稍后我再為大家詳細描述。在這一時期，我認識了本書再三提到的愛德華·洛倫茨，并開始對混沌理論產生濃厚興趣。

事實上，早在20世紀80年代末，由于詹姆斯·格雷克（James Gleick）的巨著《混沌》（Chaos）的問世，“混沌”一詞成了全世界的流行詞。5在與混沌理論先驅羅伯特·梅合作的過程中，我有機會結識了許多混沌理論相關領域的科學家，并開始思考是否可以將集合預測方法應用于這些領域。我對于集合預測在經濟學等領域的應用同樣很感興趣。

我的職業生涯的發展一帆風順，為此我感到十分快樂，而且也很充實，我幾乎忘記了我早年在基礎物理領域的探索。

然而，有一天，我走進了牛津的一家知名書店。那一年是1987年，正值牛頓的《自然哲學的數學原理》問世300周年，一本由斯蒂芬·霍金主編的、紀念性質的新書剛剛上市。我飛快地瀏覽了一下，昔日的回憶涌上心頭。杰出的物理學家羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）在一篇文章中提到了貝爾實驗這一具有重大意義的實驗。這一實驗的結果使得物理學家開始否定愛因斯坦關于量子現實的觀點。

幾周之后，完全出乎我的意料的是，我冒出了一個基于混沌理論的想法，它或許能夠解釋為何貝爾實驗的結果最終還是可以與愛因斯坦的觀點相一致。我就此寫了一篇論文，然后想把它放到一邊，將注意力重新聚焦在我的博士后研究上。6然而，我發現自己做不到。我開始大量閱讀關于量子物理基礎理論的論文。隨著互聯網的迅速發展，查找這些論文變得更加方便。我試圖進一步完善我關于量子物理領域的想法。我再次被吸引到我認為自己已經放下的物理學領域，至少在那些夜晚里是如此。

完成這一類工作，你其實只需要筆和紙。但是，為了求解我日常在工作中遇到的天氣和氣候物理學方面的方程，我要用到一些算力強大的超級計算機。然而，使用超級計算機的次數越多，我就越感到沮喪，因為它們在研究應用中存在很大的局限性。盡管它們具有非常出色的性能，每秒可以執行數百萬、數億次計算，但仍然對全球天氣（氣候）模型中的細節數量及隨時可以運行的集合預測中單次預報的數量存在嚴重的限制。

超級計算機的處理能力從根本上說會受到運行它所使用的電力的限制。運行一臺現代超級計算機需要大量的電力，往往高達幾十兆瓦。我最初想嘗試是否能通過降低晶體管的電壓來減少超級計算機的能耗。7這種做法可以使超級計算機在相同輸入能量的條件下裝配更多的芯片，研究人員因此得以增加模型中的細節，或所運行的集合預測中單次預報的數量。但是，降低電壓會使芯片變得不穩定。計算過程將受到芯片內部原子失控擺動而產生的熱噪聲的影響，從而無法再保證絕對的精確。由于存在這類噪聲，超級計算機不再是無可指摘的。不過，我在書中將進一步討論，在混沌系統中，噪聲可以是一種建設性的資源，能夠放大而不是模糊掉信號。我建議8為天氣和氣候預測一類的問題開發低能耗、有噪聲的超級計算機。這類設想正在逐步成為現實。

為了說服同仁接受我的觀點，我開始思考世界上是否存在采用低能量噪聲計算的天然系統。人類的大腦不就是這樣一個典范嗎？它只需要20瓦的功率就可以激發800多億個神經元。這一特質讓我思考人類為何會成為一個如此有創造力的物種。

以上談到的這些主題以這樣或那樣的方式吸引了我，并在我多年的研究生涯中逐漸交織在一起，因此我決定將它們加以整合并分享給大家。