Tại sao phát hiện ra tính chất khí quyển lại có tên trong 100 phát hiện khoa học vĩ đại nhất?

Ed Lorenz đã tạo ra một hệ thống các phương trình phi tuyến tính độc lập với nhau và rất phức tạp dùng để mô tả sự chuyển động của tầng khí quyển. Ông còn chứng minh rằng mô hình khí quyển này phục thuộc rất lớn vào dữ liệu ban đầu và dữ liệu ranh giới (tức là những dữ liệu ứng dụng ban đầu cho mô hình). Bất luận dữ liệu đó có sự biến đổi nhỏ như thế nào cũng đều gây nên sự thay đổi cực lớn cho cả hệ thống phương trình. Hay nói một cách khác, nếu một con bướm cất cánh bay từ Bắc Kinh, mô hình đó cho phép dự đoán được khí hậu sẽ thay đổi ở New York. Thế nhưng ai cũng phải công nhận rằng không thể có chuyện đó xảy ra.

Phát hiện của Ed Lorenz không phải chú trọng vào việc dự báo thời tiết ở khoảng cách xa mà là cho việc dự báo có khả năng thực hiện được. Tiếp đó, ông tạo ra thuyết hỗn độn, tức là nghiên cứu về những hệ thống không trình tự và không thể sự đoán được. So với những khám phá và phân tích truyền thống của các nhà khoa học thì lý luận hỗn độn này có thể miêu tả, nhận thức tự nhiên, sinh vật và hệ sinh thái tốt hơn.

Tính chất của khí quyển được phát hiện ra như thế nào?

Vào năm 1958, phòng làm việc của Ed Lorenz có một chiếc máy tính, vào thời gian này thì đây là một điều hết sức kỳ lạ, nó thu hút rất nhiều thầy trò Học viện MIT đến tham quan. Mọi người chỉ muốn xem xem chiếc máy tính này hoạt động như thế nào, thế nhưng niềm vui của ông chưa được bao lâu thì đã lâm vào cảnh chán chường tuyệt vọng.

Ed Lorenz phát minh ra một loạt các công thức, chúng đều là các mô hình số học thể hiện sự chuyển động và hoạt động của bão khí quyển. Ông nhận ra rằng những thay đổi rất nhỏ ở những dữ liệu ban đầu đã nhanh chóng dẫn đến những thay đổi lớn trong kết quả tính toán. Những thay đổi rất nhỏ ban đầu đều lớn dần lên sau một khoảng thời gian chứ không giảm đi hay trở về trạng thái bình thường.

Nếu tầng khí quyển cũng hoạt động giống với mô hình của Ed Lorenz thì ông có thể chứng minh tính khả thi của việc dự báo thời tiết ở những khoảng cách xa, bởi vì con người không thể nắm được đầy đủ và chính xác các số liệu ban đầu để ngăn chặn những sai sót phóng đại và bất quy tắc. Chính do lĩnh vực nghiên cứu và công việc của mình tồn tại nhiều thiếu sót, bản thân không đưa ra được kết quả chứng minh, đã làm cho tư tưởng ông tuyệt vọng thay thế tinh thần hưng phấn để tìm ra những phương pháp nghiên cứu mới.

Ngay từ nhỏ, Ed Lorenz đã quyết tâm trở thành một nhà toán học nổi tiếng. Năm 1934, ông đõ vào học viện và nhận được bằng tiến sĩ, ông lại tiếp tục sự nghiệp học hành của mình tại trường Đại học Harvard. Khi đại chiến thế giới lần hai bùng nổ, ông tham gia vào quân đội không quân và được cử đến Học viện MIT tham gia vào lớp học thiên văn học không quân.

Ở đây, ông đã học được cách coi tầng khí quyển là một tổ hợp, trong đó bao gồm mật độ, áp suất, nhiệt độ, tốc độ gió ba chiều và tỷ trọng giữa trạng thái khí, lỏng rắn của không khí. Phương trình mô tả những đại lượng này có thể giải thích cho tình hình thời tiết lúc bấy giờ, tỷ lệ thay đổi trong phương trình có thể giải thích được mô hình về sựthay đổi thời tiết.

Nhưng không ai có thể hiểu được làm thế nào để vận dụng những phương trình khí tượng động lực vô tuyến tính và để tiến hành dự bào thời tiết trong thực tế, phần lớn mọi người đều cho rằng không có cách nào để thực hiện phương pháp dự báo này. Hơn nữa những điều này Ed Lorenz chưa từng được học, chỉ đến mãi sau này mới khám phá ra. Mặt khác, những phương trình này lại quá phức tạp, phụ thuộc nhiều những dữ liệu ban đầu và dữ liệu ranh giới.

Ed Lorenz đã thử dùng một loạt các phương trình động lực để dự bào hoạt động của gió, mưa, bão. Vào thời kỳ những năm 50 của thế kỷ XX, khi đó máy tính chưa phổ biến, công việc tính toán của ông phần lớn được thực hiện trên bảng, thước kẻ, giấy và bút. Mỗi lần tính toán phải mất rất nhiều thời gian, thế nhưng những phép tính tay của ông cũng không cho bất kỳ kết quả mong muốn nào.

Vào năm 1958, Ed Lorenz có được chiếc máy tính LGP – 30 của Royal – McBee. Chiếc máy tính này đã cải tiến mô hình công thức động lự phi tuyến tính. Những kết quả mô phỏng trên máy tính cho thấy những thay đổi cực nhỏ ban đầu không những không trở nên dần dần bình thường mà ngược lại chúng còn được phóng đại lên sau một khoảng thời gian. Nếu mô hình công thức này là đúng thì bầu khí quyển là một thực thể không có trình tự, không thể nào dự đoán được.

Qua mấy năm làm thử nghiệm về bầu khí quyển, những người trong khoa học và Ed Lorenz đều xác nhận rằng mô hình của ông là chính xác: tầng khí quyển là một hệ thống hỗn độn, không thể dự đoán được, nó không thể dự đoán được giống hệ thống tương tác giữa các chất hóa học vô cơ hay sức hút của trọng lực. Khám phá này giúp người ta sử dụng một phương pháp mới để hoàn thành những nghiên cứu khoa học cũ, và nó đã dấn đến sự ra đời của các phát hiện khí tượng học có ý nghĩa sâu sắc.

Ed Lorenz nổi tiếng bởi ông đã khám phá ra bản chất của bầu khí quyển từ đó mà phát hiện ra tính hạn chế của dự báo thời tiết.

schoolnet