Погода, климат и «эффект бабочки»



Неудачные прогнозы погоды, стремительное изменение климата, увеличения числа природных катаклизмов – всё это представляет серьезный вызов для современной науки. Природа как будто решила посмеяться над человеком, «подкинув» ему очередную порцию загадок. И разгадка – как мы убеждаемся воочию – оказывается не столь уж простым делом. Сколько раз наши метеорологи оказывались в дурацком положении, не в силах толком предсказать и внятно объяснить неожиданные оттепели, похолодания, ураганы и прочий разгул стихий. И как дурачат доверчивых обывателей составители разных «долгосрочных прогнозов», более напоминающих гадания на кофейной гуще.

Сегодня становится всё труднее и труднее разобраться, где в таких вопросах проходит граница между наукой и шарлатанством. И речь совсем не о том, будто  в наше время утрачиваются какие-то критерии для объективных оценок происходящего (когда в сознании обывателя в одной куче смешиваются и наука, и астрология, и те же гадания на кофейной гуще). Скорее всего, в самой науке назрели большие перемены, и загадки, связанные с погодой и климатическими изменениями, являются мощным стимулом для пересмотра наших взглядов на мир.

В одном из предыдущих материалов мы уже приводили на этот счет мнение академика Роберта Нигматулина, который нелестно отозвался о теоретическом уровне нынешнего поколения ученых. Рассуждая о причинах климатических изменений, мы рассчитываем на простые ответы. Но их-то как раз и нет. Причем, не может быть в принципе, поскольку здесь мы сталкиваемся с проблемой, никак не поддающейся простому описанию. Мир оказался гораздо сложнее, чем представлялось многим из нас, и целый ряд явлений оказалось не так-то просто вписать в готовую математическую формулу. На обывательском уровне, конечно же, в такие дебри не влезают, но и научному сообщество сегодня нечем похвастаться особо.

Можно очень долго делать вид, будто природа для нас – словно открытая книга, которую мы читаем без запинки, но с каждым новым стихийным бедствием даже до простого обывателя доходит мысль о том, что человек слишком рано объявил себя хозяином планеты.

Дело в том, что большинство людей всё еще живут в парадигме классической науки, созданной в Новое время: мир организован по принципу большого механизма, все явления - предсказуемы, математические расчеты – всесильны. Отсюда следует, что если мы хорошо разобрались с причинами, то в два счета способны вывести из них неизменные следствия. Как утверждал еще Ньютон, «природа проста и единообразна». Чуть позже математик Лаплас предложил мысленный эксперимент, согласно которому знание текущего положения и скорости всех частиц Вселенной якобы дает возможность предсказать ход всех событий – как прошлого, так и будущего. Лаплас был уверен, что можно единой формулой описать и движение небесных тел, и движение мельчайшего атома.

Указанные принципы были в свое время безосновательно перенесены практически на все природные процессы, включая изменения погоды и климата. Считалось, что погода точно так же подчиняется законам ньютоновской механики, как и движение небесных светил. В конце концов, если уж удается безошибочно предсказывать появление комет и солнечных затмений, то почему бы с такой же точностью не предсказывать атмосферные явления? И когда появились сверхмощные компьютеры, их стали воспринимать как некое подобие Высшего Разума, способного-де (в духе взглядов Лапласа на природу) точно рассчитать любое «поведение» ветра и облаков. Как пишет Джеймс Глейк в своей книге «Хаос: Создание новой науки», пятидесятые и шестидесятые годы прошлого столетия стали временем неоправданного оптимизма по поводу возможностей предсказания погоды. «Развивались, – уточняет автор, – сразу две технические новации – цифровые компьютеры и искусственные спутники Земли, и оба новшества использовались в международном проекте, названном мировой программой исследования атмосферы. Говорили даже, что человечество освободится от произвола стихий, став повелителем, а не игрушкой атмосферы» (См.: Глейк Дж. Хаос: Создание новой науки. – СПб.: Амфора, 2001. - С. 28).

Стоит возникнуть небольшому и кратковременному явлению – а для глобального прогноза таковыми могут считаться и грозовые штормы, и снежные бури, – как предсказание утрачивает свою актуальность Однако это была иллюзия. Особый энтузиазм в деле «управления погодой» проявили американские физики. К восьмидесятым годам была выполнена важнейшая часть поставленной задачи, связанной с прогнозами. Как пишет Глейк, «Информация, поступавшая со всего земного шара, со спутников, самолетов и кораблей, вводилась в компьютер ежечасно. В результате по точности прогнозов Национальный метеоцентр занял второе место в мире» (там же, с. 29). Первое место держал Европейский центр прогнозирования погоды, расположенный недалеко от Лондона. Именно прогнозирование погоды стало той отправной точкой, с которой началось использование компьютеров для моделирования сложных систем. «Методика его сослужила хорошую службу множеству представителей естественных, точных и гуманитарных наук. С ее помощью ученые пытались предугадать буквально всё, начиная с динамики маломасштабных жидкостных потоков, изучаемых конструкторами двигателей, и заканчивая циркуляцией финансов. К 1970-80-м годам компьютерные прогнозы экономического развития напоминали глобальные предсказания погоды», – пишет Глейк (там же, с. 30).

Какова же была реальная практическая отдача от столь впечатляющей деятельности? Несмотря на мощнейший инструментарий, прогнозы, составленные более чем на два-три дня, оказывались ЧИСТО УМОЗРИТЕЛЬНЫМИ. Прогнозы, составленные более чем на неделю – оказывались ПРОСТО БЕСПОЛЕЗНЫМИ.

«Причина, – указывает автор, – заключалась в эффекте бабочки. Стоит возникнуть небольшому и кратковременному явлению – а для глобального прогноза таковыми могут считаться и грозовые штормы, и снежные бури, – как предсказание утрачивает свою актуальность. Погрешности и случайности множатся, каскадом накладываясь на турбулентные зоны атмосферы, начиная от пылевых вихрей и шквалов и заканчивая воздушными токами в масштабах целого материка, отслеживать которые удается лишь из космоса». Выяснилось, что при сборе данных – сколько бы датчиков мы ни использовали – неизбежно будут появляться небольшие погрешности, которые со временем нарастают и выливаются в огромные отклонения. Поэтому даже самый мощный компьютер не в состоянии дать точный прогноз на месяц вперед.

«Как наука, так и жизнь учит, что цепь событий может иметь критическую точку, в которой небольшие изменения приобретают особую значимость. Суть хаоса в том, что такие точки находятся везде, распространяются повсюду. В системах, подобных погоде, сильная зависимость от начальных условий представляет собой неизбежное следствие пересечения малого с великим», – отмечает Глейк (там же, с. 53).

Слово «хаос» используется в данном пассаже отнюдь не как метафора. Хаос – это одна из загадок мироздания, относящаяся к числу так называемых «глубоких проблем». Именно эта проблема служит водоразделом межу классической и новой наукой. Мир хаотических явлений весьма разнообразен: формирование облаков, турбулентность в морских течениях, колебания численности популяций растений и животных. Хаос обнаруживается, в том числе, и в капризах погоды. По словам автора книги, «порождаемые хаосом природные феномены, лишенные регулярности и устойчивости, ученые всегда предпочитали оставлять за рамками своих изысканий» (там же, с. 10). Только с середины 1970-х годов некоторые американские и европейские исследователи обратились к изучению хаотических явлений. И уже спустя десять лет понятие «хаос» дало название стремительно развивающейся дисциплине, перевернувшей всю современную науку, породив такие понятия, как фрактал, бифуркация, прерывистость, периодичность, аттрактор, сечение фазового пространства. Как поясняет Глейк, «для некоторых ученых хаос скорее наука переходных процессов, учение о становлении, а не о существовании» (там же, с. 12).

По мнению сторонников новой науки, исследование хаоса стало «третьей революцией», вырвавшей физику из тенет ньютоновского видения мира. Конкретно, хаос развенчал учение Лапласа о полной предопределенности развития систем. Принципиально ещё и то, что указанная «третья революция» имеет серьезное социальное значение: ученые (главным образом речь идет о физиках) стали более пристально исследовать феномены «человеческого масштаба». Говоря по-простому, вместо изучения далеких галактик они стали изучать облака. В результате выяснилось, что многие простейшие системы (например, мяч, прыгающий по столу) обладают исключительно сложным и непредсказуемым поведением. То же самое справедливо и для атмосферных явлений.  

Таким образом, сегодняшние погодные «сюрпризы» и трудно предсказуемые климатические изменения открывают широкую дорогу новой науке, способной объяснить и описать указанные явления совсем не с тех позиций, которые были в ходу сотню лет назад (и запечатленные в сознании многих из нас). Надо ли объяснять, насколько такая наука приближена к обычному человеку? Ведь одно дело – рассуждать о далекой «темной материи», о «черных дырах» или о «Бозоне Хиггса» (много ли тех, кому до этого есть дело?). И совсем другое, когда надо объяснить внезапное появление торнадо в Омской области, небывалый ураган в Москве, июньский снегопад в Татарстане или январские оттепели в Новосибирске. Исчерпывающих объяснений мы еще не услышали, прогнозов на этот счет нет никаких (а те, что есть, похожи на лотерею). И мы всё чаще и чаще видим, как слегка смущенные специалисты соответствующих служб разводят руками или произносят банальности. Может показаться, что под угрозой – авторитет самой науки как таковой. Но скорее всего (и мы на это искренне надеемся), авторитет утрачивают лишь устаревшие теории и устаревшие взгляды на мир.

Олег Носков