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数学家传记

爱德华·诺顿·劳仑次Edward Norton Lorenz

出生
1917年5月23日 美国康涅狄格州西哈特福德
逝世
2008年4月16日 美国马萨诸塞州剑桥

爱德华·诺顿·劳仑次是一位美国数学家和气象学家,他首次认识到复杂系统中的混沌现象。

完整传记

爱德华·诺顿·劳仑次在新罕布什尔州西部汉诺威镇的达特茅斯学院学习数学。他于1938年从达特茅斯学院毕业,获得学士学位,然后前往哈佛大学攻读数学硕士学位。他于1940年获得A.M.学位,并提交了他的第一篇数学论文以供发表。论文A generalization of the Dirac equations于1941年发表在Proceeding of the National Academy of Sciences上。

获得硕士学位后,劳仑次在美国陆军航空队服役。他在陆军航空队的工作涉及将他的数学技能应用于天气预报,很快他就开始寻求进一步学习气象学。他在麻省理工学院攻读了第二个硕士学位,这次是气象学的S.M.,于1943年毕业。然后,在第二次世界大战结束后,他继续在麻省理工学院攻读博士学位,James Austin是他的论文导师。他在提交了学位论文A Method of Applying the Hydrodynamic and Thermodynamic Equations to Atmospheric Models后,于1948年获得了Sc.D.学位。

劳仑次 自1946年起在麻省理工学院担任助理气象学家,但当他于1948年获得博士学位时,被提升为气象学家。他担任此职位直到1954年,在这八年期间,他发表了一些重要著作。他于1949年6月将Dynamic Models Illustrating the Energy Balance of the Atmosphere提交给Journal of the Atmospheric Sciences,并于1950年2月发表。劳仑次为这篇论文所写的摘要如下:-

通过从包含摩擦的水平运动方程中消去气压,得到了二维球形地球的广义涡度方程。广义涡度方程由表示密度场和风场的正式无穷级数所满足。明确获得了一个特定级数解的前几项。该级数似乎在北极附近收敛,并确定了一个极地气团的模型。在气团内部,最冷的风是东北风,最暖的是西南风,而最冷的空气则在北极。加热发生在西北风中,冷却发生在东南风中,而除了摩擦效应外,整个气团是冷却的。研究了气团的能量平衡。有人提出,类似的加热和冷却分布可能有助于维持大气的一般环流。

论文Seasonal and Irregular Variations of the Northern Hemisphere Sea-Level Pressure Profile一年后出现在同一期刊上。劳仑次的摘要开头如下:-

对北半球选定纬度圈上平均的五天平均海平面气压变化,以及选定纬度对之间五天平均气压差的变化,进行了统计研究。

1952年,他发表了Flow of Angular Momentum as a Predictor for the Zonal Westerlies。摘要的前几句话如下:-

提出了一个近似微分方程,将纬向西风速度的变化与同期的纬向风速和绝对角动量的经向流动联系起来。利用从分析的北半球地图中提取的气压和高度数据,借助地转风近似计算了动量流和纬向风速的值,对该方程进行了统计检验。

劳仑次 的整个职业生涯都在麻省理工学院度过,1954年被任命为助理教授,随后晋升为副教授,1962年成为气象学教授。他于1977年至1981年担任系主任,1987年退休时被授予荣休教授称号。

1961年发生的一件简单事件,使劳仑次得出了令他举世闻名的结果。他当时正用计算机研究他设计的大气模型,其中包含十二个微分方程。从运行程序得到结果后,他决定把计算继续推进下去。他没有把整个程序重新从头开始(因为尽管他用的是当时先进的计算机,但按后来的标准看慢得令人痛苦),而是从计算的中间点启动程序,输入机器在那个中间点算出的数据。他去喝了杯咖啡,回来后想看看计算机算得怎么样了。他惊讶地发现,在之前已经算过的区间内,计算机给出了明显不同的结果。起初他以为一定是硬件问题,因为给定相同的输入数据,软件每次都应该得出相同的答案。最终他发现,他为第二次运行输入的数据,打印出来的小数位数与机器存储的不一样,所以第二次运行的初始数据略有不同(在小数点后第四位有差异)。于是他开始试图理解,初始数据中一个微小的变化怎么会对计算产生如此重大的影响。劳仑次发现了混沌。

劳仑次 并不是第一个发现混沌的人。儒勒·昂利·庞加莱 在19世纪80年代研究三体问题时发现了混沌。然而,儒勒·昂利·庞加莱 的发现并未引发任何重大进展。既然 劳仑次 理解了他发现的重要性,便将其写成论文 Deterministic Nonperiodic Flow,并于1963年发表在 Journal of the Atmospheric Sciences 上。摘要开头如下:-

确定性常微分非线性方程的有限系统可以被设计用来表示受迫耗散流体动力学流动。这些方程的解可以与相空间中的轨迹相对应。对于具有有界解的系统,发现非周期解通常在小扰动下是不稳定的,因此略微不同的初始状态可以演变成相当不同的状态。具有有界解的系统被证明拥有有界数值解。

这篇论文,如同80年前 儒勒·昂利·庞加莱 的工作一样,在发表后的一段时间内影响相对较小。然而,它后来成为有史以来被引用最多的论文之一。这组方程以及由这组方程描述的吸引子现在分别被称为“劳仑次 方程”和“劳仑次 吸引子”。可以公平地说,劳仑次 以这篇论文开启了一场科学革命,他和许多其他人在随后的几年里将其发展。1972年,他在美国科学促进会上发表演讲,题目为 Predictability: Does the Flap of a Butterfly's Wings in Brazil Set off a Tornado in Texas?。通过将混沌理论的精髓概括在演讲标题中,劳仑次 成功抓住了公众的想象力,“蝴蝶效应”一词很快成为混沌的流行术语。

关于常微分方程和差分方程中非周期行为的另一篇论述,其中 劳仑次 描述了他如何从气象学中对流的描述出发,得出 劳仑次 方程,包含在他于1978年在加拿大卡尔加里举行的加拿大数学大会双年研讨会上提交的论文 On the prevalence of aperiodicity in simple systems 中。1980年,他发表了 Attractor sets and quasigeostrophic equilibrium:-

本研究的主要目的是找出某些简单大气模型的吸引子集是什么样子。

后来的论文包括:A very narrow spectral band(1984),该文研究了劳仑次系统; The local structure of a chaotic attractor in four dimensions(1984)的谱性质;Lyapunov numbers and the local structure of attractors(1985);On the existence of a slow manifold(1986);Atmospheric models as dynamical systems(1986);Computational chaos - a prelude to computational instability(1989);以及The slow manifold - what is it?(1992)。

1991年,劳仑次在华盛顿大学作了Jessie and 弗瑞兹·约翰 Danz讲座。他以这一系列的三次讲座为基础,写成了他的著名著作The essence of chaos(1993)。Andrew Fowler在一篇评论中写道:-

这是一本极好的书,由一位无可争议的国际权威对混沌科学作了通俗的阐述。……劳仑次以平稳的语调,缓慢起步,逐步建立起对混沌的完整理解。讨论并不技术化,但也不回避真正的解释。读者被假定为有才智的,并应能应对全部混沌现象。读到最后,坚持不懈的读者会发现自己对这一主题有了不浮夸但真正的理解。

劳仑次与简·洛根结婚(她于2001年去世);他们有三个孩子,两个女儿南希和谢丽尔,以及一个儿子劳仑次。至于他的爱好,他[2]:-

……是一名活跃的徒步旅行者和越野滑雪者,并坚持在参加每一次科学会议时都去探访附近的山间小径。

他的女儿谢丽尔说[1]:-

他两周半前还在远足,一周前还与一位同事完成了一篇论文。

他在马萨诸塞州剑桥的家中因癌症去世。

劳仑次因其卓越贡献获得了许多奖项和荣誉。例如:当选为美国艺术与科学院会士(1961年);获得美国气象学会颁发的克拉伦斯·勒罗伊·迈辛格奖和卡尔·古斯塔夫·罗斯比研究奖章(1969年);获得皇家气象学会颁发的西蒙斯纪念金奖(1973年);当选为国家科学院(美国)会士(1975年);当选为印度科学院院士;当选为挪威科学与文学院院士(1981年);获得瑞典皇家科学院颁发的克拉福德奖(1983年):-

……因对地球物理流体动力学领域的根本性贡献,这些贡献以独特的方式促进了对大气和海洋大尺度运动的更深入理解。

他还获得了富兰克林研究所颁发的埃德温·贝利·埃利奥特 Creson奖章。1984年,他当选为皇家气象学会荣誉会员,随后在1991年,他因发现确定性混沌而获得了稻盛财团颁发的京都奖(相当于日本的诺贝尔奖),这一发现具有:-

……深刻影响了广泛的基础科学领域,并带来了自艾萨克·牛顿以来人类自然观中最剧烈的变化之一。

此外,他还获得了美国地球物理联合会的罗杰·雷维尔奖章和美国气象学会的路易斯·J·巴坦作者奖。2004年,他被授予荷兰皇家艺术与科学院的拜斯·巴洛特奖章,该奖章大约每十年颁发一次,授予对气象学做出重大贡献的个人。

参考文献

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