Эдвард Нортон Лоренц (23 мая 1917 г. — 16 апреля 2008 г.) — американский математик и метеоролог, который создал теоретическую основу прогнозируемости погоды и климата , а также основу для компьютерной атмосферной физики и метеорологии . [1] [2] Он наиболее известен как основатель современной теории хаоса , раздела математики, фокусирующегося на поведении динамических систем , которые очень чувствительны к начальным условиям . [3]
По словам комитета, который наградил его премией Киото 1991 года за фундаментальные науки в области наук о Земле и планетах, его открытие детерминированного хаоса «глубоко повлияло на широкий спектр фундаментальных наук и привело к одному из самых драматических изменений во взглядах человечества на природу со времен сэра Исаака Ньютона». [4]
Лоренц родился в 1917 году в Уэст-Хартфорде, штат Коннектикут . [5] Он приобрел раннюю любовь к науке от обеих сторон своей семьи. Его отец, Эдвард Генри Лоренц (1882-1956), специализировался на машиностроении в Массачусетском технологическом институте , а его дед по материнской линии, Льюис М. Нортон , разработал первый курс по химическому машиностроению в Массачусетском технологическом институте в 1888 году. Тем временем его мать, Грейс Пелубет Нортон (1887-1943), привила Лоренцу глубокий интерес к играм, особенно к шахматам. [6]
Позже Лоренц жил в Кембридже, штат Массачусетс , со своей женой Джейн Лобан (1919–2001) и тремя детьми, Нэнси, Шерил и Эдвардом. [7] Он был заядлым любителем активного отдыха, любил походы, скалолазание и беговые лыжи. Он продолжал заниматься этим до самого конца своей жизни. 16 апреля 2008 года Лоренц умер у себя дома в Кембридже от рака в возрасте 90 лет. [8]
Лоренц получил степень бакалавра по математике в Дартмутском колледже в 1938 году и степень магистра по математике в Гарварде в 1940 году. Он работал синоптиком в Военно -воздушных силах США во время Второй мировой войны , что привело его к получению аспирантуры по метеорологии в Массачусетском технологическом институте . [7] Он получил степень магистра и доктора по метеорологии в Массачусетском технологическом институте в 1943 и 1948 годах.
Его докторская диссертация под названием «Метод применения гидродинамических и термодинамических уравнений к атмосферным моделям», выполненная под руководством Джеймса Мердока Остина , описала применение уравнений гидродинамики к практической задаче прогнозирования движения штормов. [9]
Лоренц провел всю свою научную карьеру в Массачусетском технологическом институте . В 1948 году он присоединился к кафедре метеорологии MIT в качестве научного сотрудника. В 1955 году он стал доцентом кафедры и был повышен до профессора в 1962 году. С 1977 по 1981 год Лоренц занимал должность заведующего кафедрой метеорологии в MIT. В 1983 году кафедра метеорологии и физической океанографии MIT объединилась с кафедрой геологии, став нынешней кафедрой наук о Земле, атмосфере и планетах MIT, где Лоренц оставался профессором, прежде чем стать почетным профессором в 1987 году. [10]
В конце 1940-х и начале 1950-х годов Лоренц работал с Виктором Старром над проектом общей циркуляции в Массачусетском технологическом институте, чтобы понять роль, которую погодная система играет в определении энергетики общей циркуляции атмосферы. Из этой работы в 1967 году Лоренц опубликовал знаменательную статью под названием «Природа и теория общей циркуляции атмосферы» об атмосферной циркуляции с энергетической точки зрения, которая выдвинула концепцию доступной потенциальной энергии . [11]
В 1950-х годах Лоренц заинтересовался и начал работать над численным прогнозированием погоды , которое опиралось на компьютеры для прогнозирования погоды путем обработки данных наблюдений за такими вещами, как температура, давление и ветер. Этот интерес возник, отчасти, после визита в Институт перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси, где он встретился с Жюлем Чарни , тогдашним главой Метеорологической исследовательской группы IAS и ведущим динамическим метеорологом того времени. [12] (Позже Чарни присоединился к Лоренцу в Массачусетском технологическом институте в 1957 году в качестве профессора метеорологии.) [13] В 1953 году Лоренц взял на себя руководство проектом в Массачусетском технологическом институте, который проводил сложные симуляции погодных моделей, которые он использовал для оценки методов статистического прогнозирования. [12] К концу 1950-х годов Лоренц скептически относился к целесообразности линейных статистических моделей в метеорологии, поскольку большинство атмосферных явлений, участвующих в прогнозировании погоды, являются нелинейными . [2] Именно в это время он открыл детерминированный хаос . [14]
В 1961 году Лоренц использовал простой цифровой компьютер Royal McBee LGP-30 для моделирования погодных условий путем моделирования 12 переменных, представляющих такие вещи, как температура и скорость ветра. Он хотел снова увидеть последовательность данных, и чтобы сэкономить время, он начал моделирование в середине его хода. Он сделал это, введя распечатку данных, которые соответствовали условиям в середине исходного моделирования. К его удивлению, погода, которую машина начала предсказывать, полностью отличалась от предыдущего расчета. Виновник: округленное десятичное число на распечатке компьютера. Компьютер работал с точностью до 6 цифр, но распечатка округляла переменные до 3-значного числа, поэтому значение вроде 0,506127 печаталось как 0,506. Эта разница крошечная, и в то время консенсус был бы таков, что она не должна иметь практического эффекта. Однако Лоренц обнаружил, что небольшие изменения в начальных условиях приводят к большим изменениям в долгосрочных результатах. [15]
Открытие Лоренца, давшее название аттракторам Лоренца , показало, что даже детальное атмосферное моделирование не может, в общем, делать точные долгосрочные прогнозы погоды. Его работа по этой теме, в которой ему помогала Эллен Феттер , достигла кульминации в публикации его статьи 1963 года «Детерминированный непериодический поток» в журнале Journal of the Atmospheric Sciences , а вместе с ней и основы теории хаоса . [2] [14] В этой статье он утверждает:
«Два состояния, различающиеся на незначительные величины, могут в конечном итоге развиться в два существенно различных состояния... Если же в наблюдении за текущим состоянием есть какая-либо ошибка — а в любой реальной системе такие ошибки кажутся неизбежными, — приемлемое предсказание мгновенного состояния в отдаленном будущем может оказаться невозможным... Ввиду неизбежной неточности и неполноты наблюдений за погодой точное сверхдолгосрочное прогнозирование, по-видимому, не существует».
Его описание эффекта бабочки , идеи о том, что небольшие изменения могут иметь большие последствия, последовало в 1969 году. [2] [16] [17] [18] [19] [20] [21]
В книге «Сущность хаоса» в главе «Наша хаотичная погода» 1993 года, написанной Эдвардом Лоренцом и Кшиштофом Хаманом , авторы углубились в проблемы прогнозирования погоды. В работе обсуждаются последствия хаоса в атмосфере и его влияние на прогнозирование погоды. Они описывают сценарий, в котором метеорологи в компьютерную эпоху генерируют несколько долгосрочных прогнозов погоды на основе различных, но схожих начальных атмосферных условий. Различия в результатах прогноза возникают из-за чувствительности системы к начальным условиям. [22]
Идеи Лоренца о детерминированном хаосе получили широкий резонанс, начиная с 1970-х и 80-х годов, когда они стимулировали новые области исследований практически в каждой отрасли науки, от биологии до геологии и физики. В метеорологии они привели к выводу, что может быть принципиально невозможно предсказать погоду за пределами двух или трех недель с разумной степенью точности. Однако признание хаоса привело к улучшениям в прогнозировании погоды , поскольку теперь прогнозисты признают, что измерения несовершенны, и поэтому запускают множество симуляций, начиная с немного разных условий, что называется ансамблевым прогнозированием . [23]
О основополагающем значении работы Лоренца Керри Эмануэль , известный метеоролог и климатолог из Массачусетского технологического института, заявил: [8]
«Показав, что некоторые детерминированные системы имеют формальные пределы предсказуемости, Эд забил последний гвоздь в гроб картезианской вселенной и спровоцировал то, что некоторые называют третьей научной революцией 20-го века, последовавшей за теорией относительности и квантовой физикой».
В конце своей карьеры Лоренц начал получать международное признание за важность своей работы по детерминированному хаосу. В 1983 году вместе с коллегой Генри Стоммелем он был награжден премией Крафорда от Шведской академии наук , которая считается почти равной Нобелевской премии . [8] Он также был награжден Киотской премией за фундаментальные науки в области наук о Земле и планетах в 1991 году, [24] премией Байса в 2004 году и премией Томассони в 2008 году. [25] В 2018 году был снят короткометражный документальный фильм об огромном научном наследии Лоренца во всем, от того, как мы предсказываем погоду, до нашего понимания Вселенной. [26]
Коллеги и друзья помнят Лоренца за его тихую манеру поведения, мягкое смирение и любовь к природе. [12] Его близкий друг и соратник Жюль Чарни описывал его как «гения с душой художника» . [13]
В 2011 году в Массачусетском технологическом институте был основан Центр Лоренца — климатический аналитический центр, занимающийся фундаментальными научными исследованиями, в честь Лоренца и его новаторской работы по теории хаоса и климатологии . [27]
В феврале 2018 года Центр Эдварда Лоренца и Фонд Генри Хоутона провели симпозиум под названием MIT on Chaos and Climate в честь 100-летия со дня рождения Лоренца и Чарни . [13] На двухдневном мероприятии были представлены презентации всемирно известных экспертов о многочисленных научных вкладах, которые внесли два пионера в области численного прогнозирования погоды , физической океанографии , атмосферной динамики и экспериментальной гидродинамики , а также о личном наследии, которое они оставили после себя в виде честности, оптимизма и сотрудничества. Видеоролик, подготовленный для мероприятия, подчеркивает неизгладимый след, оставленный Чарни и Лоренцом в MIT и области метеорологии в целом. [28]
Лоренц опубликовал много книг и статей, подборку которых можно найти ниже. Более полный список можно найти на сайте Центра Лоренца: ссылка Архивировано 2019-04-05 на Wayback Machine
