ปรากฏการณ์ผีเสื้อกระพือปีก (Butterfly effect)
มีความหมายอย่างไรในทางฟิสิกส์
เด็ดดอกไม้สะเทือนถึงดวงดาว เป็นคำกล่าวที่ได้รับการตีความตามสื่อต่างๆว่า เหตุเพียงเล็กๆน้อยๆส่งผลกระทบใหญ่โตในบั้นปลายได้ คล้ายกับการขยับปีกของผีเสื้อในสถานที่หนึ่ง ก่อผลกระทบเป็นลูกโซ่ให้เกิดพายุใหญ่ในสถานที่ไกลออกไปได้ มันจึงถูกเรียกว่า ปรากฏการณ์ผีเสื้อกระพือปีก (Butterfly effect)
ในภาพยนตร์หลายเรื่องมีการสื่อให้เห็นว่าเหตุการณ์เล็กน้อยบางอย่างส่งผลต่อชีวิตคนๆหนึ่งได้อย่างมาก เช่น การเดินขึ้นรถไฟไม่ทัน จนต้องเดินทางช้าลงอีกไม่กี่นาที ส่งผลต่อชีวิตการงานของคนๆนั้นอย่างใหญ่หลวง หรือ การย้อนเวลาไปเปลี่ยนแปลงอดีต ส่งผลต่ออนาคตจากหน้ามือเป็นหลังมือ
แต่หลายคนอาจไม่รู้ถึงที่มาที่ไปของคำกล่าวนี้ว่ามาจากไหน และ ทำไมการเด็ดดอกไม้จึงสะเทือนถึงดวงดาวได้ บทความนี้จะอธิบายแนวในเชิงฟิสิกส์แบบเข้าใจง่ายๆให้ฟังกันครับ
ย้อนกลับไปในปี ค.ศ. 1961 นักฟิสิกส์ชื่อเอ็ดเวิร์ด ลอเรนซ์ (Edward Lorenz) ผู้ศึกษาการพยากรณ์สภาพอากาศได้ค้นพบอะไรบางอย่างที่น่าตื่นเต้นเข้าโดยบังเอิญ ในการพยาการณ์สภาพอากาศนั้น โดยทั่วไปจะต้องมีการใส่ข้อมูลตั้งต้น เช่น ค่าความชื้น ค่าความกดอากาศ ฯลฯ เข้าไปในแบบจำลองคอมพิวเตอร์ จากนั้นคอมพิวเตอร์ก็จะทำการคำนวณว่าหลังจากเวลาผ่านไป สภาพภูมิอากาศจะมีลักษณะอย่างไร
เอ็ดเวิร์ด ลอเรนซ์ พบว่าการตัดทศนิยมตำแหน่งหลังๆของข้อมูลตั้งต้นทิ้งไป สามารถก่อให้เกิดผลลัพธ์ที่แตกต่างได้อย่างมาก ตัวอย่างเช่น แทนที่จะป้อนตัวเลข 0.506127 เข้าไป แต่ใส่เพียง 0.506 แต่ผลลัพธ์ปลายทางที่ได้กลับแตกต่างกันมาก ต่อมาเขาจึงเขียนงานวิจัยหัวข้อ ผีเสื้อที่กระพือปีกในบราซิลส่งผลให้เกิดพายุทอร์นาโดในเท็กซัสได้หรือไม่ ? (Does the Flap of a Butterfly's Wings in Brazil set off a Tornado in Texas?) ซึ่งนั่นเป็นที่มาของคำว่า ปรากฏการณ์ผีเสื้อกระพือปีก (Butterfly effect) หรืออาจจะเรียกอีกอย่างว่า การอ่อนไหวต่อเงื่อนไขเริ่มต้น
เอ็ดเวิร์ด ลอเรนซ์ (Edward Lorenz)
ในการทำความเข้าใจความสำคัญของการค้นพบนี้ ลองจินตนาการเตะลูกฟุตบอลในสนามหญ้าด้วยแรงค่าหนึ่งนะครับ แน่นอนว่าแรงเตะค่าหนึ่งย่อมทำให้ลูกฟุตบอลกระเด็นไปตกที่ระยะห่างค่าหนึ่ง แต่ถ้าออกแรงมากขึ้นหรือน้อยลงเล็กน้อย ตำแหน่งที่ลูกบอลตกย่อมไม่ไกลจากเดิมไปมากนัก เดิมทีนักฟิสิกส์จะคุ้นเคยกับระบบลักษณะนี้ แต่การค้นพบของเอ็ดเวิร์ด ลอเรนซ์ทำให้นักฟิสิกส์ตระหนักได้ว่า ระบบจำนวนมากตั้งแต่สภาพภูมิอากาศอันซับซ้อน การไหลของของไหล ราคาของหุ้น ไปจนถึง การแกว่งลูกตุ้มสองลูกที่ดูเรียบง่าย(Double Pendulum) กลับเป็นระบบที่ให้ผลลัพธ์ปลายทางแตกต่างกันมากๆได้ แม้เงื่อนไขเริ่มต้นจะแตกต่างกันไม่มาก ซึ่งศาสตร์ที่ศึกษาระบบที่มีคุณสมบัติดังกล่าวเรียกว่า ทฤษฎีความโกลาหล (Chaos theory)
การแกว่งลูกตุ้มสองลูก (Double Pendulum)
ตรงนี้ต้องขยายความเล็กน้อยเพื่อป้องกันความเข้าใจผิด ระบบโกลาหลต่างๆนั้นอยู่ภายใต้การเปลี่ยนแปลงที่ดำเนินไปตามกฎเกณฑ์อย่างชัดเจนแน่นอน (Deterministic laws) กล่าวคือ เงื่อนไขเริ่มต้นหนึ่งๆ ย่อมเปลี่ยนแปลงไปจนเกิดผลลัพธ์ที่มีความแน่นอนทุกครั้ง ไม่ใช่ว่า เกิดเป็นผลลัพธ์ที่แตกต่างไปทุกครั้ง มันจึงเป็นระบบที่ถูกทำนายได้ แต่การอ่อนไหวต่อเงื่อนไขเริ่มต้นทำให้การทำนายผลลัพธ์ระยะยาวในทางปฏิบัติเป็นเรื่องท้าทาย
จริงๆแล้วก่อนที่เอ็ดเวิร์ด ลอเรนซ์ จะเขียนงานในหัวข้อนี้หลายสิบปีมีนักคณิตศาสตร์ชาวฝรั่งเศส ชื่อ อ็องรี ปวงกาเร (Henri Poincaré) ได้ค้นพบความอ่อนไหวต่อเงื่อนไขเริ่มต้นในระบบมวลสามก้อน (Three-body problem)ที่ดึงดูดกันมาแล้ว แต่ในช่วงนั้นนักฟิสิกส์กำลังตื่นเต้นกับการค้นพบทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษและทั่วไปของไอน์สไตน์ รวมทั้งการถือกำเนิดของทฤษฎีควอนตัม จึงดึงความสนใจของนักฟิสิกส์ในยุคนั้นออกไปเสียมาก นอกจากนี้ระบบโกลาหลทุกระบบยังเกิดจากสมการแบบไม่เป็นเชิงเส้น (nonlinear system)* ซึ่งในยุคสมัยนั้น การศึกษาสมการที่ไม่เป็นเชิงเส้นโดยไม่มีคอมพิวเตอร์ช่วยเป็นปัญหาที่ทำให้นักคณิตศาสตร์ไปต่อไม่ค่อยได้เท่าไหร่นัก
อ็องรี ปวงกาเร (Henri Poincaré)
การถือกำเนิดของคอมพิวเตอร์นั้นจึงไม่ใช่แค่การใช้งานเพื่อความสะดวกหรือบันเทิง แต่กล่าวได้ว่ามันเป็นอุปกรณ์ช่วยคำนวณและแสดงผลที่ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ค้นพบอะไรใหม่ๆหลายอย่างทีเดียว และธรรมชาติพื้นฐานหลายอย่างของระบบโกลาหลยังเป็นสิ่งที่นักฟิสิกส์ศึกษาหาคำตอบกันอยู่จนถึงวันนี้
*แต่ระบบ non linear ไม่ได้เป็นระบบโกลาหลทุกระบบ และการจะบอกว่าระบบไม่เป็นเชิงเส้นระบบใดบ้างที่เป็นระบบโกลาหลนั้นไม่ใช่เรื่องง่ายนัก
**ที่น่าสนใจคือระบบโกลาหลนั้นมีความสัมพันธ์บางอย่างกับเรขาคณิตที่เรียกว่า แฟรกทัล ด้วย
- 27
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
