关于未来的力学

预测不是信口雌黄的猜测，而是一门科学。既然是科学，就离不开完备的理论支撑。我们仍以天文学为例。意大利科学家伽利略发明了天文望远镜，为万有引力定律和牛顿力学三大定律的发现奠定了基础。人类对星空的研究，可以分为伽利略之前和伽利略之后两个时期。透过伽利略望远镜，行星的运动不再是依靠一小部分天文学家夜间观测后的历史记录来试图解答的谜语。天体研究越来越复杂，更注重数学运算和物理学定律。物理学将天体在某个给定时间段内的位置和速度，与下个时间段内的位置和速度进行关联，由此确立天体间的互动机制，并在此基础上展开预测。从时间上说，“占卜师”的肉身无法击败天上的星辰。在实践中，通过几十年的漫长追踪来观察某个体系，再构建认识模型，对人类而言并不现实。夜观天象和纸上推演缺一不可。通过构建算法，以指令和运算实现预测，这是预测模式的范式转变。换言之，通过数学运算、物理建模，天文学家做到了眼未见而心自明。天文学家曾经发现，其他行星都按推算的轨道循规蹈矩地绕太阳运行，只有天王星“不走寻常路”，总偏离路线。他们据此判定，一定存在某个尚未被观察到的行星，它的引力扰乱了天王星的运行轨道。根据天王星的运行轨道，数学家推算出了这一未知行星的轨道，随后这一行星被发现并被命名为海王星。

19世纪末的人类，欢呼科学的进步，沉浸在科学带来的掌控感中。当我们掌握了初始数据（如方位、速度、体积、电荷等），就能通过数学运算推演某物体或体系未来如何发展。在人类进入20世纪前，流体力学、热力学的飞速发展催生了现代气象预测理论。英国物理学家路易斯·弗莱·理查德森（Lewis Fry Richardson）在20世纪初首次提出，可以用力学方法进行气象预测。具体来说，如果我们能实测并描述大气的各种变量当下的状态，并推演出动力方程，就能算出大气在未来处于何种状态，明天甚至一周后的天气就能一目了然。理查德森指出的方向无疑是正确的，但要实践这一构想谈何容易。我们首先要将大气分解为数百万个立方体，它们个个不同，拥有特定变量（温度、密度、压强等）。运算者不仅要确保所有实测数据的准确性、运算过程的精确性，还要在最短时间内得出结论。假设现在开始复杂运算，耗时三天，我们得出的结果却是前天的天气“预报”，即使结论准确，这样的预测又有什么实际意义呢？对理查德森来说，因为在1910年还没有计算机，他只能从粗糙的实测数据出发，这些障碍在当时是无法逾越的。

还要等几十年，更准确地说，要到1950年，数字计算机才开始执行第一次天气预测。位于美国新泽西州的普林斯顿高等研究院的气象专家在第一代电子计算机“埃尼阿克”（ENIAC，电子数字积分计算机）上以大气动力学为基础，进行了第一次天气预测。“埃尼阿克”有2万多个电子管、7万多个电阻，是个不折不扣的庞然大物。1955年，美国空军、海军和气象局制成了第一张气象图，天气预报从此驶上了飞速发展的快车道。今天，我们在手机上轻轻一点就能获取最新的天气资讯。别忘了，这轻轻一点背后是几代科学家前赴后继的努力。