2005年8月23日，星期二，一架空军侦察机在巴哈马群岛上空飞行时，捕捉到一些干扰气流，几个旋涡正呈顺时针方向形成一股旋风，并由东向西移动，从大西洋逐渐向美国推进。从云层或卫星数据中很难检测到中断的风力模式，但海面上的货船已经有所察觉。美国国家飓风中心认为，足以把此次干扰气流描述为热带气旋，并将其标记为第12号热带低气压。在大西洋流域的所有热带气压中，有一半最终会演变为飓风。这次风暴很诡异，可能会加剧，也可能会消失。
这次的热带气压很快就加强了，截至星期三下午，美国国家飓风中心的计算机模拟机已经预测到有十几场飓风会在美国登陆，第一场将覆盖佛罗里达州南部，第二场可能会将气旋“带到”新奥尔良。风暴的威力已经足以升级为飓风，人们将它命名为“卡特里娜”飓风。
卡特里娜飓风第一次登陆时，持续的时间不长，它只是从迈阿密北部经过，几个小时后，又掠过佛罗里达大沼泽地，当时只算得上是1级飓风，不足以对太多人畜造成威胁。如果说那时卡特里娜飓风还没有从风暴中汲取太多力量，那么当卡特里娜飓风到达墨西哥湾的温暖水域时，就开始积攒力量了。星期六清晨，情况开始变得严重：卡特里娜飓风风力已达到3级，并且正在增强至5级。预测跟踪显示，它正从佛罗里达的狭长地带逐渐向西移至密西西比和路易斯安那。计算机模拟机已得出一致结论：新奥尔良必将遭到此次风暴的袭击。
我请美国国家飓风中心主管马克斯·梅菲尔德回忆一下他从什么时候开始意识到这次风暴的严重性。马克斯·梅菲尔德说：“在卡特里娜飓风来袭后，我已经参加过5次国会听证会了。当时有人问我是从什么时候开始关注新奥尔良的，我告诉他是60年前。”
新奥尔良遭到严重飓风的正面袭击对于每个气象预测者来说，在很长一段时间内都是一个噩梦。这个城市的各方面情况都适合自我破坏甚至灭亡。这一方面与那里的地形有关：新奥尔良几乎是陷在墨西哥湾中，很大一部分人口生活在海平面以下，他们的保护措施只有过时的堤坝和一些几乎已经被冲进大海的天然栅栏。另一方面与当地的风俗有关：新奥尔良人在许多方面做得相当好，唯有两件事他们不屑去做，那就是他们不愿迅速行事，也不信任权威，这就是新奥尔良人。如果他们不这样的话，那新奥尔良也称不上是新奥尔良了。这座城市本可以更好地应对卡特里娜飓风，因为这两方面的事正是飓风来袭时最应该做的事。
美国国家飓风中心对卡特里娜飓风的预测是准确的，在堤坝被冲毁前5天就预测到这次袭击有可能会出现，在飓风登陆前48个小时就看出这次噩梦的一些端倪。20~30年前，根本不会有这种先进的预警，人们也无法及时撤离。在过去几十年中，美国国家飓风中心的预测和气象预报不断地取得进步，毫无疑问，这种进步挽救了许多人的生命。
然而，并不是每个人都收听气象预报。约有80 000名（几乎占据当时该市总人口的1/5）新奥尔良人没有来得及撤离，其中1 600人失去了生命。对幸存者的调查显示，2/3的人没想到这次风暴会那么严重，其他人则说当时已经被混乱的撤离秩序搞晕了。尽管梅菲尔德和其他政府官员苦苦哀求，市长雷·纳金还是等了24个小时才下令强制撤离。还有一些居民，如穷人、老人或是看不到新闻的人，即使曾经想过撤离，最终也没能逃过这一劫。
本书中成功预测的故事之一就是气象预报，人与机器通力合作，使得我们能够了解，有时还能预测到大自然错综复杂的奥秘。然而，能够预测自然规律并不意味着我们可以改变它。如果没有人愿意相信预测，那预测也就没有什么意义了。卡特里娜飓风就是有关人类才智与失误的故事。
我们真能准确地预测天气吗？
科罗拉多州博尔德市的美国国家大气研究中心（NCAR）有几个超级计算机实验室，它们会自己制造天气：有时炎热，由国际商业机器公司（IBM）公司蓝火超级计算机每秒进行的77万亿次运算会产生大量的辐射能；有时多风，所有的热量都需要被冷却，以免预测天气的能力突然丧失，所以，会有几个高压风扇一直向计算机供氧；有时还很聒噪，风扇的噪声很大，而这些运行的声音正是衡量这些装备是否安全的标准。
蓝火超级计算机由11个小匣子组成，每个小匣子大概2.4米高、0.6米宽。在匣子的边缘，有一条亮绿色的赛车条纹。在匣子的后端，和你想象中的一样，大量缆线交错，连接着机器的主干，蓝色的指示灯一闪一闪。从匣子的前面看，它们的形状大小与便携式马桶差不多，只不过多了一个带有银色把手的门。
理查德·罗夫特博士是美国国家大气研究中心技术发展部门的主管，他负责监督超级计算机实验室的运行。我与罗夫特博士聊天时说：“这些计算机看着有点儿像马桶。”
气象领域的人已经习惯了这些玩笑。出演《抑制热情》的拉里·戴维就指出，气象专家有时在没有雨的天气也会预测有雨，好像只有这样做才可以在高尔夫球场上领先别人一样。政治广告常以天气打比喻，象征对手在某些问题上总是出尔反尔，以此攻击对手。大部分人认为，气象预报员其实并不怎么擅长预测工作。
事实上，看看那些正在运行中的计算机，想想所有这些操作是不是压根儿没用：计算机就能预测天气？还是它们仍然无法告诉我们明天会不会下雨？
罗夫特看上去并不满意预测现状。改良的计算机运算能力并没有明显提高对地震和经济形势的预测准确率。但是，气象学领域已经取得了许多显著的进步，罗夫特的超级计算机就是功臣之一。
气象预报简史
回到办公室之后，罗夫特对我说：“请允许我偏离正常的飞行计划。”罗夫特很幽默，想法古怪离奇，很像电视剧《办公室》里面的德怀特·斯格鲁特，只不过他更有自知之明。罗夫特说，有史以来，人们一直在试图预测自己周边的环境。“早在查科峡谷或是巨石阵形成的那个时期，人们就已经认识到自己可以预测一年当中时间最长和最短的一天，可以预测月亮的运动轨迹。但仍有一些事情古人无法预知，如来自某种动物的伏击或洪水和雷阵雨的突然袭击。”
现在，提前几天预测到飓风是很平常的事，但是气象学发展成为科学的过程并非一帆风顺。几个世纪以来，气象学发展都处于停滞状态。被称为“天文学家”的巴比伦人做出的气象预报，被刻在石碑上保留了6 000多年。然而，最终他们还是归顺了宁吉尔苏。亚里士多德写过一篇关于气象学的论文，提出了一些可靠的直觉感知，但不过是浅尝辄止。而仅在过去的50年前后，随着计算机的发展，气象学才取得了一些真正的进步。
你可能认为气象预报运用不到玄学知识，但是预测天气这一思想却引起了关于预定论和自由意愿的长期争论。罗夫特问我，“是万物天注定呢，还是万物人注定呢？这是人类最基本的问题，而且这两种思潮确实存在。”
罗夫特继续说道，预定论来自圣·奥古斯丁和加尔文主义，基于他们的哲学理论，人们也许有能力预知未来，但却无法改变未来，所有事都要顺应上帝的旨意。“这与耶稣和托马斯·阿奎奈信仰的自由意愿相悖。这是一个有关世界可预知与不可预知的问题。”
在启蒙时代和工业革命时期，关于不同事物可预知性的争论就已经开始了。艾萨克·牛顿的经典力学理论似乎证明了宇宙的高度有序性和可预知性，并且遵守相对简单的物理定律。几个世纪以前，科学进步、技术进步和经济进步就像是天方夜谭，而随着“人定胜天”思想的兴起，这些进步意识开始出现了。预定论也成了一个新思想的一部分，这个新思想就是科学决定论。
科学决定论表现为多种形式，但仍无法与法国天文学家、数学家拉普拉斯的观点相提并论。1814年，拉普拉斯做出以下假设，后来这些假设被称作拉普斯的恶魔：
我们可以把宇宙的现状看作其过去已经发生的事情和未来可能发生的事情共同影响的结果。假设我们具备一种理解能力，能在某一个特定时刻认识到使大自然运动的所有力量，能够知晓构成大自然的所有事物的位置。若这种理解能力足够强大，可以对所有这些数据进行分析，就必然能够用一种最简单的公式或准则涵盖这个宇宙中最大的星体和最微小原子的所有运动。有了这种理解能力，就没有什么是不能确定的，未来和过去都能尽收眼底。
若对现在的情况（构成大自然的所有事物的位置）有充分的了解，对统治宇宙的定律（使大自然运动的所有力量）了如指掌，我们就应该能够做出完美的预测（未来就会像过去一样呈现在我们眼前）。宇宙中所有粒子的运动跟台球桌上那些球的运动一样，是可以预测的。拉普拉斯坦言，人类可能还不具备这样的预测能力。但是，如果人类足够聪明（或是有一台高速计算机），还是可以对天气或其他所有事物进行预测的，这样我们就会发现，大自然本身是多么完美。
拉普拉斯的恶魔存在的200年里，对它一直争议不断。与决定论者争论的是或然论者。或然论者认为，宇宙可知性成立的条件是，承认一定程度的不确定性的存在。最初的或然论几乎都是认识论范式，认识论断言，人类认识宇宙的能力有限。近期，随着量子力学的发现，科学家和哲学家开始怀疑宇宙自身的运行是否也存在概率。当你仔细观察时会发现，拉普拉斯试图识别的粒子呈波状运动，似乎没有固定的位置。如果一开始就无从得知某物在哪里，你又何以预测它将去向何处呢？显然做不到。这是理论物理学家沃纳·海森堡提出的著名的“测不准原理”（又称“不确定性原理”）的基础。物理学家以各种方式来解释“测不准原理”，但这一原理表明，照字面意思来看，拉普拉斯的假设就不可能正确。如果宇宙本身是杂乱无章的，那么根本就不可能存在完美的预测。
幸亏在研究天气方面用不到量子力学，而只涉及分子（而不是原子）层面，分子体积相对较大，不会受到量子的影响。此外，很长一段时间以来，我们对基于化学和牛顿物理学的天气研究一直都非常熟悉。
那么，将拉普拉斯的恶魔修正一下会怎样呢？如果我们知道地球大气层内每一个分子的位置——比起了解宇宙中每一个原子位置的要求，这个要求低得多——我们能否做出完美的气象预报呢？或者说，天气本身也存在一定程度的不可测性吗？
用矩阵来预测天气
对天气状况进行单纯的统计预测，早已成为可能。假设今天下雨，那么明天也下雨的可能性有多大呢？气象学家可以查看数据库里有关过去下雨的实例，或者查看较长时期内下雨的概率的平均值，如3月份的伦敦基本有十一二天都在下雨，进而得出答案。
问题是，这类预测的用处并不是很大，因为它们不够精确，无法告诉你是否需要带伞，更不用说预测飓风的路径了。所以，气象学家一直在寻找其他形式的预测。气象学家需要的是栩栩如生的预测模型，能够逼真地模仿自然界天气变化的过程，而这些是统计预测做不到的。
然而长期以来，我们预测天气的能力远远落后于对天气的理论研究。我们知道如何解方程式，并且能得出正确的结果，但是我们却无法使用方程式计算大气层里的每一个分子，我们能够做到的，只是给出近似值。
将问题简单化往往是最直接的方法，把大气层分解为一系列有限的象素，气象学家通常把这些象素称为矩阵：菱形格或方形格。罗夫特说，成果丰硕的英国物理学家刘易斯·弗莱·理查德森在1916年第一个做出这样的尝试。理查德森试图预测某一个特定时间——1910年5月20日下午1点——德国北部的天气状况。严格地说，这算不上是预测，因为理查德森选择的是6年前的时点，但是，理查德森准备了很多数据：由政府收集的关于温度、气压和风速的一系列观察报告。他还有大量的时间：当时，他正在法国北部当救护志愿者，远离战火纷飞的前线。他把德国分成若干个二维分区，每个分区跨越3个纬度（约338公里）和3个经度。之后，他试着解出控制每一分区天气的化学方程式，并算出它们会对相邻地区的天气产生什么样的影响。
可惜，理查德森的实验并未成功，他预测当天气压会急剧升高，可实际上并没有。尽管如此，理查德森还是公布了这次实验的结果。这似乎是预测天气的正确方法：不依靠粗略统计出来的近似值，而是从第一手资料入手，利用对系统运行的透彻的理论认识进行预测。
理查德森采取的预测方法的问题在于，他需要太多的准备工作。计算机更适合他所建立的这一模型的要求。
首次使用计算机预测天气是在1950年，数学家约翰·冯·诺依曼使用一台每秒可以进行5 000次运算的机器，速度远远快于在法国干草堆里用笔和纸做计算的理查德森。但是，这次预测的结果并不好，还不如随意猜测得出的结果。
到了20世纪60年代中期，计算机才开始展示出预测天气的技能。蓝火是比第一台计算机的计算速度快150亿倍，比理查德森几乎快1 000万亿倍的超级计算机，超快的计算速度使蓝火看上去更为敏锐。现在的气象预报比15~20年前的准确多了，但是，相对于不断提高的运算能力，气象预报准确性的提升就显得有些缓慢了。
之所以进步缓慢，主要有两个原因。其中之一是，这个世界不是一维或二维的。提高气象预报的准确性，最可靠的方法就是，减小用来代指大气层的网格区域，逐一分析每一个分子的运动。理查德森的单位研究区域大约是40 000（200英里×200英里）平方英里（约合10 360平方公里），只能提供一个高度概括的视界（你几乎可以把天气状况完全不同的纽约和波士顿都塞进这个40 000平方英里的区域里）。如果把这个单位研究区域的边长减半，也就是让分辨率变为100英里×100英里，那么预测的精确度就会提高，但同时方程式也会增多。实际上，方程式的数量不是增加一倍，而是增加3倍。这就意味着，你需要大约4倍的计算能力，才能得到答案。如下图所示。
不只需要考虑二维空间，二维以上的空间也需要投入更多精力。不同的气候模型可以停留在较高或较低的大气层中，也可以停留在海洋里或地球表面。在三维空间里，如果单位研究区域的数量增至两倍，方程式就需要增至8倍。如下图所示。
