Edward Norton Lorenz (1917–2008): Bapak Teori Chaos Modern

Lorenz memiliki ketertarikan awal pada sains dari kedua sisi keluarganya. Ayahnya adalah seorang insinyur mekanik lulusan Massachusetts Institute of Technology (MIT), dan kakek dari pihak ibunya mengembangkan program teknik kimia pertama di MIT. Ibunya menanamkan minat yang mendalam pada permainan, terutama catur. Ia juga mengembangkan kecintaan pada angka sejak usia dini, menikmati puzzle matematika dengan ayahnya. Ketertarikannya pada permainan dan puzzle berlanjut sepanjang hidupnya, bahkan menjadi kapten tim catur di sekolah menengah dan perguruan tinggi.

Ia menempuh pendidikan sarjana di Dartmouth College, lulus pada tahun 1938 dengan gelar matematika. Ia melanjutkan studi ke Harvard University untuk gelar Master di bidang matematika, yang diperolehnya pada tahun 1940. Selama studi pascasarjana di Harvard, ia terpapar pada topik-topik seperti teori grup, teori himpunan, dan topologi kombinatorial. Lorenz juga tertarik pada fisika matematika.

Setelah mendapatkan gelar Master, Lorenz melakukan dinas perang dengan Angkatan Udara Amerika Serikat selama Perang Dunia II. Karyanya melibatkan penerapan keterampilan matematikanya pada peramalan cuaca, yang memicu minatnya pada meteorologi. Ia kemudian mengejar gelar Master kedua, kali ini S.M. di bidang meteorologi, dari MIT, lulus pada tahun 1943. Setelah perang berakhir, ia melanjutkan studi doktoralnya di MIT dengan James Austin sebagai penasihat tesisnya. Disertasinya, yang berjudul "A Method of Applying the Hydrodynamic and Thermodynamic Equations to Atmospheric Models," membahas penerapan persamaan fluidodinamika untuk masalah praktis memprediksi pergerakan badai, dan ia meraih gelar Sc.D. pada tahun 1948.

Lorenz menghabiskan seluruh karier ilmiahnya di MIT. Ia bergabung dengan Departemen Meteorologi MIT pada tahun 1948 sebagai ilmuwan peneliti. Ia menjadi asisten profesor pada tahun 1955 dan dipromosikan menjadi profesor penuh pada tahun 1962. Dari tahun 1977 hingga 1981, ia menjabat sebagai Kepala Departemen Meteorologi. Setelah departemennya bergabung dengan Departemen Geologi pada tahun 1983, membentuk Departemen Ilmu Bumi, Atmosfer, dan Planet saat ini, Lorenz tetap menjadi profesor sebelum menjadi profesor emeritus pada tahun 1987.

Pada akhir tahun 1940-an dan awal 1950-an, Lorenz bekerja dengan Victor Starr dalam Proyek Sirkulasi Umum di MIT, mencoba memahami peran sistem cuaca dalam menentukan energetika sirkulasi umum atmosfer. Dari karya ini, ia menerbitkan makalah penting pada tahun 1967 tentang sirkulasi atmosfer dari perspektif energetik, memajukan konsep energi potensial yang tersedia. Pada tahun 1950-an, ia juga mulai tertarik pada dan mengerjakan peramalan cuaca numerik, yang menggunakan komputer untuk memproses data observasional.

Momen paling terkenal dalam kariernya terjadi pada tahun 1961. Lorenz menggunakan komputer digital sederhana, Royal McBee LGP-30, untuk menyimulasikan pola cuaca menggunakan model dengan dua belas persamaan diferensial. Suatu hari, untuk melanjutkan simulasi dari titik tengah, ia memasukkan data awal yang dicetak dari simulasi sebelumnya. Ia terkejut menemukan bahwa pola cuaca yang diprediksi komputer mulai menyimpang secara signifikan dari hasil sebelumnya. Penyelidikan lebih lanjut mengungkapkan bahwa perbedaan itu disebabkan oleh pembulatan angka desimal pada cetakan komputer—komputer menyimpan enam digit presisi, tetapi cetakan hanya menunjukkan tiga digit. Perbedaan kecil ini (kurang dari satu per seribu) dalam kondisi awal menyebabkan perubahan besar dalam hasil jangka panjang.

Penemuan penting ini—bahwa perubahan kecil dalam kondisi awal dapat menghasilkan perubahan besar dalam hasil jangka panjang—adalah penemuan chaos deterministik. Lorenz menyadari bahwa jika atmosfer berperilaku serupa, peramalan cuaca jangka panjang yang tepat akan mustahil karena kepekaan ekstrem terhadap kondisi awal.

Ia mendokumentasikan penemuannya ini dalam makalahnya yang berpengaruh, "Deterministic Nonperiodic Flow," yang diterbitkan dalam Journal of the Atmospheric Sciences pada tahun 1963. Makalah ini meletakkan dasar bagi teori chaos. Dalam makalah tersebut, ia menyatakan, "Dua keadaan yang berbeda dalam jumlah yang tidak terlihat mungkin pada akhirnya berkembang menjadi dua keadaan yang sangat berbeda... Jika, kemudian, ada kesalahan apa pun dalam mengamati keadaan saat ini—dan dalam sistem nyata kesalahan seperti itu tampaknya tidak terhindarkan—prediksi yang dapat diterima dari keadaan sesaat di masa depan yang jauh mungkin tidak mungkin ada."

Persamaan dan atraktor yang dijelaskan dalam makalah ini sekarang dikenal sebagai 'persamaan Lorenz' dan 'atraktor Lorenz'. Atraktor Lorenz menggambarkan jalur partikel chaotic yang bergerak dalam serangkaian loop tertutup, menunjukkan bahwa bahkan gerakan chaotic pun memiliki batasan. Bentuk modern atraktor Lorenz dikatakan menyerupai kupu-kupu, sebuah kebetulan yang menarik.

Pada tahun 1972, Lorenz memberikan ceramah dengan judul yang menarik: "Predictability: Does the Flap of a Butterfly's Wings in Brazil Set off a Tornado in Texas?" Dengan merangkum esensi teori chaos dalam judul ini, Lorenz berhasil menarik imajinasi publik, dan istilah "efek kupu-kupu" segera menjadi istilah populer untuk chaos. Meskipun konsep ini telah ada dalam bentuk yang berbeda sebelumnya (misalnya, "penerbangan belalang di Montana dapat mengubah arah badai dari Philadelphia ke New York!" yang disebutkan pada tahun 1898), Lorenz yang mempopulerkannya terkait dengan chaos.

Wawasan Lorenz tentang chaos deterministik mulai dikenal luas pada tahun 1970-an dan 80-an, memicu bidang studi baru di hampir setiap cabang sains, dari biologi hingga geologi hingga fisika. Dalam meteorologi, hal ini menyebabkan kesimpulan bahwa mungkin secara fundamental tidak mungkin untuk memprediksi cuaca lebih dari dua atau tiga minggu ke depan dengan tingkat akurasi yang wajar. Namun, pengakuan chaos telah menyebabkan peningkatan dalam peramalan cuaca melalui teknik seperti peramalan ansambel, di mana banyak simulasi dijalankan dari kondisi awal yang sedikit berbeda untuk memperkirakan ketidakpastian.

Selain karya utamanya tentang chaos, Lorenz juga membuat kontribusi penting lainnya. Ia mempelajari energetika atmosfer, mengembangkan konsep energi potensial yang tersedia. Ia menyelidiki sifat sistem yang 'hampir intransitif', di mana keadaan sistem dapat berada dalam satu cekungan atraksi untuk sementara waktu dan kemudian beralih secara tidak terduga ke cekungan lain. Ia juga mengeksplorasi gagasan 'slow manifold' dalam sistem dinamika dan penerapan 'adaptive sampling' untuk meningkatkan peramalan cuaca.

Lorenz menerima banyak penghargaan dan kehormatan atas kontribusi ilmiahnya. Ini termasuk Carl-Gustaf Rossby Research Medal (1969), Symons Memorial Gold Medal (1973), Crafoord Prize (1983), Kyoto Prize (1991), Roger Revelle Medal (1992), Buys Ballot Medal (2004), dan Lomonosov Gold Medal (2004). Ia juga terpilih sebagai anggota National Academy of Sciences (Amerika Serikat). Penghargaan Kyoto pada tahun 1991 diberikan untuk penemuan "chaos deterministik" yang "secara mendalam memengaruhi berbagai ilmu dasar dan membawa salah satu perubahan paling dramatis dalam pandangan umat manusia tentang alam sejak Sir Isaac Newton."

Dalam kehidupan pribadinya, Lorenz menikah dengan Jane Loban, dan mereka memiliki tiga anak: Nancy, Cheryl, dan Edward. Ia adalah seorang penggemar kegiatan luar ruangan yang aktif, menikmati mendaki gunung, panjat tebing, dan ski lintas alam hingga akhir hayatnya. Ia dikenal oleh kolega dan teman-temannya karena sikapnya yang pendiam, kerendahan hati yang lembut, dan kecintaannya pada alam. Lorenz terus aktif dalam penelitian hingga tak lama sebelum kematiannya akibat kanker.

Warisan ilmiah Edward Lorenz sangat besar. Pada tahun 2011, The Lorenz Center didirikan di MIT sebagai wadah pemikir iklim yang didedikasikan untuk penyelidikan ilmiah fundamental, untuk menghormatinya dan karyanya. Ia dikenang tidak hanya karena penemuan ilmiahnya yang revolusioner, tetapi juga karena teladan pribadinya sebagai seorang ilmuwan dan gentleman.