複雜的系統以及我們（目前）理解的限制
混沌一出現，經典科學就結束了。
——詹姆斯·格雷克（James Gleick），
《混沌》（Chaos，1987年）
日益高深精妙的宇宙研究如今絕大部分情況下是在最高層次——方程式——上進行。即便是對於那些熟練掌握微積分的讀者而言，前沿的理論也是很難的；對於那些沒有微積分基礎的讀者來說就更是高深莫測了。
這一理論將外行拒之門外，這就給那些理論普及者和作家極大的動力去將學術性短文改寫成令人信服的故事。沃爾特·阿爾瓦雷茨（Walter Alvarez）是一位擅長措辭的地質學家；道金斯、E.O.威爾遜和古爾德是擅長寫作的生物學家；史蒂文·溫伯格和埃爾溫·薛定鍔則是理論普及者兼物理學家。
但是在物理學中——尤其是物理學的宇宙學分支，即對整個宇宙及其運作的思考——20世紀最後一次重大的範式轉移是由一位英語文學專業的作者帶來的。
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即便是在量子力學和奇點的年代，牛頓的原理依舊存在。
一方面是因為牛頓定律完美地適用於現實世界。餅乾掉到地上了，牛頓定律就能告訴你餅乾會落到哪個位置。乘上一輛時速72英里的火車，牛頓可以告訴你這列火車與某個方向來的、向你加速靠近的貨車相遇的準確時間。乘坐波音747飛機從華盛頓特區起飛，牛頓可以告訴你飛機在巴黎著陸的準確時間（只要空中交通管制人員配合）。
19世紀時，法國數學家兼天文學家皮埃爾-西蒙·拉普拉斯[1]認為，牛頓定律源於現實的情況，因此可以預測出未來可能發生的一切。這種決定論——宇宙的現狀「完全決定了它的未來」——使得拉普拉斯得出了一個結論，即一種無所不知、洞察一切但受時間限制的生命，能夠極其準確地預測出未來。
這一智慧生命知道某一刻所有自然運動的力，知道組成自然的萬物位於何地；如果這一智慧的視野足夠廣闊，它還可以對這些數據進行分析，將宇宙從最大天體到最小原子的運動規律歸結到一個簡單的公式裡；對這樣的智者來說，沒有事物會是含糊的，未來也會像過去般清晰地呈現在他面前。1
這一理論上的智慧存在被稱為「拉普拉斯妖」（「妖」在此語境中，指的是「一種假設的存在」，而非「惡魔」）。拉普拉斯妖不僅可以看見自然宇宙中的各種力，並隨時確定它們的所在，還可以迅速地處理數字信息，並推測這些力未來的去向。對拉普拉斯妖而言，時間是一個不相關的因素；因為不管是順時前進或逆時而退，宇宙從未發生改變。理論上說，拉普拉斯妖也可以計算過去，且與計算將來一樣準確。
但這可能並不像拉普拉斯所說的那樣簡單，首次提出這一看法的科學家是另一位法國人——數學家兼物理學家亨利·龐加萊，他於1910年前後提出了這一觀點。龐加萊一直在研究那些看似相當簡單的系統，卻得到了出乎意料的結果。即便是對看似很簡單的力的研究，他也無法始終預測出準確的結果；他認為，原因就在於最初條件發生了細微的變化，而這種變化太細微，所以不易被察覺。他歸結出了一條理論：「最初條件的細微改變可能會導致最終結果的巨大不同。」「當初的毫釐之差會導致後來的千里之謬。因此預測是不可能的。」2
半個世紀以來，沒人對這個觀點進一步探討過。
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20世紀60年代時，拉普拉斯妖真的出現了，至少在一定程度上且處於萌芽形式：電腦。電腦雖然不能理解自然的各種力，但可以對大量數據進行快速處理——這是人腦做不到的。
1961年，美國數學家愛德華·勞倫茲（Edward Lorenz）正在研究天氣。他一直都對各種天氣模式很感興趣；而大多數數學家都對此不屑一顧，他們認為要瞭解天氣無異於異想天開。利用全新的計算機技術，他編寫了代碼，將各種因素（風距和風速、氣壓、溫度等）考慮在內，利用它們來預測天氣類型。
某個晚上，勞倫茲鍵入了代表這些因素的數據，電腦程序便乖乖地預測出了一個天氣類型。勞倫茲決定要驗算一下預測的天氣類型。他再次鍵入因素數據，但是為了節省時間，他輸入時只是精確到了小數點後第三位，而不是到小數點後第六位（他第一次輸入時是這麼做的）。
這本該不會對結果造成任何差別，因為從第四位小數開始，風速或溫度的改變絕對是微乎其微的——事實上，幾乎就沒有改變。但是，讓勞倫茲震驚的是，得到的天氣類型開始偏離最初的結果……並最終完全偏離。數據處理完成後，該程序生成了另一個完全 不同的天氣類型。1963年，勞倫茲發表了一篇論文，文中按時間順序整理了這些結果。「決定性的非週期流。」他寫道。或許，天氣系統對初始條件的細小變化非常敏感，因此任何細小的變化都會帶來迥異的結果。3
在電腦被發明出來以前或是在電腦擁有快速處理大量數據的能力之前，人們幾乎是不可能計算出這種對極其細微條件改變的敏感度的。但是現在，勞倫茲的論文引起了其他數學家的高度關注，他們也開始用電腦來解決這種「非線性方程組」。[2] 1972年，勞倫茲又續寫了另一篇論文，題為「可預測性——巴西一隻蝴蝶翅膀的振動能否引起美國得克薩斯州的一場龍捲風？」（「Predictability: Does the Flap of a Butterfly』s Wings in Brazil Set off a Tornado in Texas?」）這是蝴蝶翅膀首次被用來類比初始的細微變化，也是「蝴蝶效應」這一術語的首次應用。4
1975年，兩位數學家李天巖（Tien-Yien Li）和詹姆斯·A.約克（James A.Yorke）發表了一篇關於非線性方程式及其不可預測的結果的論文，這是首次對這種不可預知性命名。他們稱其為「混沌」：大多數英語讀者都能感受到這一詞語中含有的巨大力量；即使是在1975年，人們仍舊知道這個詞在《聖經》中的用法：完全無定形，完全混亂，完全無序。5
但這並不是數學意義上的混沌。在這裡混沌只是意味著「不可預知性」——而不是那種徹底的、根本的不可預知性（不是指「不管我們知道多少，我們都不能預知最終結果」），它是一種非本質的、客觀的不可預知性。（「這個系統對初始條件的細微變化太敏感了，因此我們目前無法精準地分析初始條件，並預測所有可能的結果。」）
第二年，在數學方面很有天賦的生物學家羅伯特·梅（Robert May）發表了一篇論文，文中給混沌理論起了一個更為實際卻不怎麼吸引眼球的名字：「包含複雜動力學的簡單數學模型」（「Simple Mathematical Models with Very Complicated Dynamics」）。論文中，梅延展了「混沌」系統的應用，不僅僅局限於天氣，而應用於一種更為具體的東西：比如昆蟲種群，他認為某個群體中昆蟲數量如果發生了明顯的隨機波動，我們可以認為這種現象與那些初始條件是相關聯的。
梅之後，對於混沌理論的研究及其在不同領域（物理學、化學、生物化學、生物學）中的應用也加速發展起來。但是當詹姆斯·格雷克——《紐約時報雜誌》（New York Times Magazine）的專欄作家、自由撰稿人兼科學記者——將混沌理論作為他的處女做選題時，這一理論仍舊停留在其早期的未成熟階段。
《混沌學傳奇》（Chaos: Making a New Science）一書（就像《雷克斯和末日火山口》、《雙螺旋》或者《人的不可測量》）有著精悍的標題、優美的行文以及大量生動的隱喻。像《雷克斯和末日火山口》〔這本書直接被翻拍成了電影《天地大衝撞》和《世界末日》（Armageddon）〕或者宇宙大爆炸一樣，混沌理論激發了大眾的想像。「蝴蝶效應」成了家喻戶曉的術語。傑夫·戈德布拉姆（Jeff Goldblum）曾在電影《侏羅紀公園》（Jurassic Park）中扮演一位搖滾歌星式的科學家，影片中他向全世界的觀眾簡要傳達了這一理論：「它就是指在複雜的系統中的可預知性……蝴蝶在北京扇動翅膀，就會導致美國中央公園由晴轉雨……細微的變化……它們不會重現，並會對結果產生極大的影響。這就是不可預知性。」
「混沌」一詞其實是具有誤導性的，對於那些只看到理論沒看到方程式的讀者而言尤為如是。「混沌一出現，經典科學就結束了。」格雷克用簡明清晰的筆觸寫道（其作品不愧為暢銷書）。但就其核心而言，混沌理論可以算得上是牛頓式的理論。拉普拉斯妖憑借其掌握的廣博的知識以及無限的計算能力，理論上還可以追蹤那只蝴蝶扇動翅膀所帶來的空氣流動是如何一路到了多雨的中央公園。
我們無法預測出複雜系統的結果，並非因為它們不可預測，而是因為我們如今還無法深入洞悉那些促成它們的因素。但是，在混沌理論方面我們一直深懷希望——不論這希望是合乎情理還是異想天開——我們希望日後可以揭開謎團。
詹姆斯·格雷克
《混沌學傳奇》
（1987年）
讀者可以找到格雷克1987年原稿的二手書；2008年出版的第二版稍有一些修訂更新。
James Gleick, Chaos: Making a New Science, Viking (hardcover and paperback, 1987, ISBN 978-0670811786).
詹姆斯·格雷克，《混沌學傳奇》，維京出版社（精裝，平裝，1987年，ISBN 978-0670811786）。
James Gleick, Chaos: Making a New Science, Penguin Books (paperback and e-book, 2008, ISBN 978-0143113454).
詹姆斯·格雷克，《混沌學傳奇》，企鵝系列叢書（平裝，電子書，2008年，ISBN 978-0143113454）。
[1] 見本書第25章。
[2] 並非所有非線性方程式的解都是如此混亂，只有「非線性方程式」大類下的一個小的分支才是如此。