Nauwkeurige meteoroloog werd wereldberoemde chaostheoreticus
50 jaar geleden beschreef de meteoroloog Lorenz een nieuwe theorie. Zijn ‘vlindereffect’ ontketende een wetenschappelijke revolutie.
Edward Lorenz (1917-2008) zette oude natuurwetenschappelijke theorieën op hun kop.
Slechts weinigen kenden de naam Edward Lorenz toen deze in 1963 een artikel publiceerde in het tijdschrift Journal of the Atmospheric Sciences.
De kop van het artikel trok al evenmin veel aandacht. Deterministic Nonperiodic Flow, luidde die.
Maar op zijn eigen bescheiden wijze opende de onbekende meteoroloog de deur naar een nieuwe wetenschappelijke wereld.
Met zijn vlindereffect was het eindelijk mogelijk om het toeval te verklaren: aardbevingen, bosbranden, epileptische aanvallen, tornado’s.
En dat terwijl Lorenz eigenlijk niet meer wilde dan het weer nauwkeurig voorspellen. In theorie een eenvoudige opgave, maar in de praktijk onmogelijk.
De natuur was een uurwerk
Weersverwachtingen waren Lorenz’ specialisme, en het ergerde hem dat zijn prognoses nooit precies waren.
Volgens de klassieke wetenschap zoals Isaac Newton die in 1687 gedefinieerd had, was de natuur juist heel regelmatig. Als de wetenschapper alle details kende, was elke ontwikkeling te voorspellen.
In 1814 beschreef de wiskundige Pierre Simon de Laplace het ongeveer als volgt:
‘De huidige toestand van het heelal is het gevolg van het verleden en de oorzaak van de toekomst. Voor een wezen dat op een gegeven moment alle natuurkrachten en de exacte situatie van elk onderdeel in de natuur kent, is niets onzeker; verleden en toekomst worden zichtbaar voor hem’.
Dit wezen werd de ‘demon van Laplace’ genoemd en was 150 jaar later nog springlevend in de wetenschap.
Generaties onderzoekers leerden dat details niet van belang waren. Als de natuur zich ontwikkelde in een rechte lijn, zouden kleine onnauwkeurigheden in de beginwaarden ook slechts kleine gevolgen hebben voor het resultaat.
Dat was de stand van zaken toen Lorenz op een winterdag in 1961 aan de technische universiteit van Boston MIT bezig was met een experiment.
Routinetest ontketende revolutie
Lorenz deed die dag enkele meteorologische tests op een Royal McBee. Deze voorloper van de moderne computer was Lorenz’ antwoord op de demon van Laplace.
Hij voerde twaalf variabelen in voor de ontwikkeling van weersystemen, zoals windrichting, luchtdruk en temperatuur. Op grond daarvan moest de computer de perfecte weersvoorspelling doen.
In de loop van de dag wilde Lorenz het laatste deel van een proces herhalen. Hij pakte de uitdraai van de eerste test, bladerde naar de getallen halverwege de berekening en toetste die in. Daarna drukte hij op de knop en ging koffie halen. Toen Lorenz terugkwam, stond hem een verrassing te wachten.
De grafiek van het tweede proces zag er totaal anders uit. De lijnen vertrokken vanuit hetzelfde punt, maar ontwikkelden zich anders.
Lorenz begreep het niet. Eerst keek hij of de computer kapot was. Maar daarna drong het tot hem door dat de getallen de oorzaak waren.
De computer berekende tot zes cijfers achter de komma, maar op de uitdraai die de basis vormde voor de tweede test, stonden er slechts drie daarvan afgedrukt.
Volgens de klassieke natuurkunde was de afronding onbelangrijk. Een klein foutje aan het begin zou de resultaten nauwelijks beïnvloeden. Het papier in Lorenz’ handen sprak dat echter tegen.
Een grote theorie wordt gevormd
Lorenz besefte dat hij aan het begin stond van een nieuw wetenschappelijk spoor. Zijn droom om het weer op de lange termijn te voorspellen, was gedoemd te mislukken.
Hoeveel data hij ook invoerde, elke kleine onzekerheid zou naarmate de berekeningen vorderden een steeds groter effect hebben.
In 1963 publiceerde Lorenz zijn ontdekking in het Journal of the Atmospheric Sciences.
Hij beschreef dynamische systemen waarin de natuur zich niet lineair gedroeg, maar zich onder invloed van allerlei factoren in geavanceerde patronen bewoog.
Het artikel was controversieel – maar veroorzaakte in eerste instantie totaal geen ophef. Want Lorenz’ wiskundige bewijzen waren voor de meeste andere meteorologen te ingewikkeld.
Het duurde jaren voor zijn boodschap doordrong. Maar geleidelijk groeide de interesse voor Lorenz en zijn theorie.
Ook andere wetenschappers kregen de ideeën van Lorenz in de gaten. Seismologen beseften dat aardbevingen ook onvoorspelbaar zouden blijven.
Dat inzicht werd bevorderd door een aantal voorvallen. Zo waarschuwde in 1976 een Amerikaanse onderzoeker voor een zeebeving bij Peru in 1981 of 1982.
Een team van wetenschappers moest naar Zuid-Amerika om de zaak te sussen en een diplomatieke crisis te bezweren.
Tegelijk kon met Lorenz’ modellen juist een patroon worden vastgesteld in ogenschijnlijk toevallige gebeurtenissen, zoals epileptische aanvallen.
De studie van dynamische systemen werd een onderzoeksgebied op zich en kreeg de naam chaostheorie.
Het wordt gezien als een van de drie grote natuurwetenschappelijke doorbraken van de 20e eeuw naast de kwantummechanica en de relativiteitstheorie.
Daarmee komt Lorenz op dezelfde hoogte te staan als Albert Einstein en Niels Bohr.