Edward Lorenz (1917–2008) loi pohjan kaaosteorialle.

© EMuseum

Tarkasta meteorologista tuli kuuluisa kaaosteoreetikko

50 vuotta sitten tuntematon meteorologi loi pohjan uudelle tieteenalalle. Hän oli ymmärtänyt pienten asioiden suuren merkityksen.

perjantai 2. maaliskuuta 2018 teksti Rasmus Dahlberg

Nimi Edward Lorenz oli useimmille tuntematon, kun hänen kirjoittamansa artikkeli Deterministic Nonperiodic Flow julkaistiin maaliskuussa 1963 lehdessä nimeltä Journal of the Atmospheric Sciences.

Tuntemattoman meteorologin artikkeli oli kuitenkin ensimmäinen askel uudenlaiseen tieteelliseen maailmaan. 

Hän luotasi tieteellistä pohjaa niin sanotulle perhosvaikutukselle, joka saattoi osaltaan selittää täysin sattumanvaraisilta vaikuttavia luonnonilmiöitä ja tapahtumia kuten maanjäristykset, metsä­palot, tornadot ja epileptiset kohtaukset.

Lue kuvasta lisää Edward Lorenzin teoriasta

Tutkijat uskoivat Laplacen demoniin

Lorenzia oli jo pitkään harmittanut, että hänen sääennustuksensa olivat aina hieman epätarkkoja. 

Isaac Newtonin vuonna 1687 esittämien teorioiden pohjalta syntyneen tieteellisen näkemyksen mukaan luonto oli kuin yksinkertainen kellokoneisto. 

Jos vain tunnettiin asian osatekijät, sen kehitys oli mekanistisesti ennustettavissa.

Ranskalainen matemaatikko Pierre-Simon de Laplace kirjoitti vuonna 1814:

”Maailmankaikkeuden tila on seu­rausta menneisyydestä ja syynä tulevaisuudelle. Jos jokin olento jonain tiettynä hetkenä tuntisi kaikki luonnossa vaikuttavat voimat ja kaikkien luonnon osasten tilan, ei mikään olisi tuolta olennolta salattua, vaan sekä tulevaisuus että menneisyys olisivat avoinna sen katseelle.” 

Laplacen kaikkitietävästä olennosta alettiin käyttää nimitystä ”Laplacen demoni”, ja se oli edelleen hyvissä voimissa tieteilijöiden keskuudessa 150 vuotta myöhemmin.

Useat tutkijasukupolvet oppivat, ettei heidän tarvinnut murehtia pienten yksityiskohtien takia.

Luonnossa kehitys oli suoraviivaista, ja pienet epätarkkuudet tutkimusten lähtökohdissa näkyivät vain pieninä epätarkkuuksina tuloksissa.

Pyöristys herätti epäilykset

Tällaisen tieteellisen käsityksen valli­tessa Lorenz aloitti talvella 1961 meteorologiset kokeensa Bostonissa Massachusetts Institute of Technologyssa Royal McBee -tietokoneella. 

Tuo alkukantainen tietokone oli Lorenzille kuin Laplacen demoni, jonka piti laskea sää­tilan kehitys.

Lorenz oli syöttänyt koneeseen 12 säähän liittyvää muuttujaa, kuten ilmanpaineen, tuulensuunnan ja lämpötilan. Nyt koneen piti vain laskea ja tuottaa tuloksena täydel­linen sääennuste.

Päivän mittaan Lorenz joutui ajamaan viimeisen laskennan uudestaan. Hän selasi ensimmäisen ajon paperitulostetta puoli­väliin ja syötti siitä luvut koneeseen. Sitten hän jätti koneen laskemaan ja lähti hakemaan kahvia.

Kun Lorenz palasi, häntä odotti yllätys. Hän näki, että toisen laskennan tuottama käyrä oli aivan erinäköinen kuin ensimmäisen. Käyrät kyllä alkoivat samasta pisteestä, mutta sitten ne kehittyivät eri tavoin.

Lorenz ei voinut ymmärtää näkemäänsä. Ensin hän tutki, oliko koneessa jotain vikaa. Kone oli kuitenkin kunnossa, ja niin hän alkoi tutkia lukujaan uudestaan.

Kone teki laskelmia kuuden desimaalin tarkkuudella, mutta paperille tulostui vain kolme ensimmäistä desimaalia, ja Lorenz oli käyttänyt näitä lukuja uudessa laskelmassa. 

Vallitsevan luonnontieteellisen käsityksen mukaan pyöristyksellä ei pitänyt olla juurikaan merkitystä, koska lähtökohdan pienen epätarkkuuden piti johtaa vain pieneen epätarkkuuteen tuloksessa. Koneen tuottamat laskelmat todistivat kuitenkin päinvastaista.

Pienestä syntyi suuri teoria

Lorenz ymmärsi, että hänen havaintonsa haastoivat vanhat fysiikan lait. 

Hän ei koskaan voisi laskea tarkkoja pitkän ajan sääennusteita, sillä vaikka hän syöttäisi malliinsa kuinka paljon dataa tahansa, lähtötietojen pienet epätarkkuudet vaikuttaisivat tuloksiin aina sitä enemmän, mitä pidemmälle laskelmat etenisivät.

Vuonna 1963 Lorenzin tutkimukset olivat niin pitkällä, että hän saattoi kertoa havainnoistaan Journal of the Atmospheric Sciences -lehdessä. 

Siinä hän kuvasi niin kutsuttuja dynaamisia järjestelmiä, joissa luonto ei toimikaan yksinkertaisen mekanistisesti vaan noudattaa monimutkaisia, alati muuttuvia malleja, joihin vaikuttivat lukuisat tekijät.

Ensireaktio rohkeita väitteitä sisältävää artikkelia kohtaan oli täydellinen hiljaisuus. Se johtui siitä, että Lorenzin matemaattinen todistelu oli aivan liian korkealentoista hänen meteorologikollegoilleen. 

Kesti vuosia, ennen kuin tieto hänen teoriastaan alkoi levitä, mutta vähitellen kiinnostus kasvoi ja hänelle alkoi sadella luentopyyntöjä.

Myös muut tieteenhaarat kiinnostuivat Lorenzin ideoista. Esimerkiksi seismologit ymmärsivät, etteivät he voisi koskaan ennustaa maanjäristyksiä tarkasti. 

Tarkkojen ennustusten sijaan Lorenzin malli auttoikin löytämään äkkiseltään toisistaan täysin riippumattomilta näyttävien tekijöiden välisiä yhteyksiä esimerkiksi epilepsiakohtausten ilmenemisessä.

Dynaamisten järjestelmien tutkimuksesta tuli oma tieteenalansa, kaaosteoria. Sitä pidetään nykyisin yhtenä 1900-luvun kolmesta suuresta luonnontieteellisestä läpimurrosta. 

Kaksi muuta ovat kvanttimekaniikka ja suhteellisuusteoria, ja niin Lorenz sai paikkansa Niels Bohrin ja Albert Einsteinin rinnalla. 

Läs mer

James Gleick: Chaos – Making a New Science, Penguin, 1987. Robert L. Devaney: Introduction to Chaotic Dynamical Systems, Westview Press, 2003. Ben Dupré: 50 Big Ideas You Really Need to Know, Quercus, 2009.

Ehkä sinua kiinnostaa...