Сигнал и шум. Почему одни прогнозы сбываются, а другие – нет - Нейт Сильвер

Однако такой вывод аналогичен утверждению, что ни один из жителей Пенсильвании не сможет выиграть джекпот в лотерею только потому, что этого не происходило за последние три недели. Землетрясения магнитудой 9 баллов, как и выигрыш в лотерею, происходят достаточно редко. Фактически до 2004 г. в мире было зафиксировано всего три таких землетрясения. Очевидно, что этих данных недостаточно для каких-то конкретных выводов о тех обстоятельствах, при которых подобные события могут или не могут произойти. Японский пример неудачного предсказания был не первым. Сходные заявления делались относительно Суматры{365}, в то время как там происходило множество землетрясений магнитудой в 7 баллов{366}, но не более. Но затем в декабре 2004 г. на Суматре произошло гигантское землетрясение магнитудой 9,2 балла{367}.

Закон Гутенберга – Рихтера не позволял точно предсказать дату землетрясения на Суматре или в Японии, однако допускал возможность их возникновения{368}. И до сих пор его положения работают, в то время как огромное количество других тщательных попыток предсказания землетрясений потерпели неудачу.

Что ограничивает наши знания о землетрясениях

Серьезные землетрясения последних лет заставляют сейсмологов переосмысливать вопрос о возможном верхнем значении их магнитуды. Если посмотреть на рис. 5.2б, где отражены все землетрясения с 1964 г. (включая землетрясения на Суматре и Тохоку), то мы видим почти прямую линию, проходящую через все точки данных. Если бы мы такой график построили 10 лет назад, на нем можно было бы найти больше перегибов – подобных тому, что мы наблюдаем на рис. 5.6a. Из этого следует, что реально происходило чуть меньше мегаземлетрясений, чем предсказывал закон Гутенберга – Рихтера, однако в последние годы мы наверстываем упущенное.

Поскольку землетрясения магнитудой 9 баллов происходят крайне редко, нам потребуются столетия, чтобы узнать реальное значение их частоты. Еще больше времени ноебходимо для того, чтобы понять, может ли произойти землетрясение магнитудой выше 9,5 балла. В разговоре со мной Хоф заявила о том, что география системы разломов может накладывать некоторые фундаментальные ограничения на масштаб землетрясений. По ее словам, в случае соединения самой крупной непрерывной последовательности разломов в мире – начиная от Терра Дель Фуэго на южной оконечности Южной Америки и заканчивая разломами на Алеутских островах, возможным стало бы и землетрясение с магнитудой 10 баллов. Однако наверняка это узнать практически невозможно.

Но даже если бы у нас имелись надежные сейсмологические записи за тысячу лет, не факт, что это бы сильно нам помогло. Не исключено, что у предсказуемости землетрясений есть свои естественные границы.

Землетрясение представляет собой комплексный по своей природе процесс. Теория сложности, разработанная покойным физиком Пером Баком и другими учеными, отличается от теории хаоса, хотя их часто объединяют. Согласно этой теории, даже самые простые вещи могут вести себя странным и таинственным образом при взаимодействии друг с другом.

Бак любил приводить пример с горкой песка на пляже. Если бросить на нее еще одну песчинку (а что может быть проще, чем песчинка?), то это может привести к одному из трех последствий. В зависимости от формы и размеров горка песка может остаться почти неизменной. Либо же с нее, после того как на нее упадет песчинка, каскадом сползут другие песчинки, скатившись до самой земли. Либо же может произойти нечто совершенно иное – если горка песка слишком неустойчива, то дополнительная песчинка способна дестабилизировать всю систему и привести к возникновению своеобразной песчаной лавины. Сходным свойством обладают и комплексные системы. Значительные периоды кажущегося застоя сменяется внезапными и катастрофическими динамичными процессами. Эти процессы в буквальном смысле не будут случайными, но они настолько сложны, что вы можете предсказать их возникновение только до определенного уровня понимания.

Красота шума

Тем не менее если вы будете рассматривать комплексный процесс с достаточно большого расстояния, то увидите в нем порядок и красоту. В этой книге я порой вольно обхожусь с понятиями «сигнал» и «шум», однако изначально эти термины появились в электротехнике. Инженеры выделяют несколько разных типов шума. Все они достаточно случайны, но при этом следуют определенным типам вероятностного распределения. Если вы послушаете настоящий «белый шум», создаваемый случайными всплесками звука над обычным распределением частот, то он покажется вам свистящим и довольно грубым. Другой тип шума, связанный с комплексными системами и называемый броуновским шумом, кажется более успокаивающим и чем-то напоминает звук падающей воды{369}.

Те же тектонические силы, которые создали линии разлома под поверхностью земли, позволили возникнуть потрясающим по своей красоте горам, плодородным долинам и живописным берегам рек и морей. Это значит, что люди, скорее всего, так и не перестанут жить в этих районах, несмотря на сейсмическую угрозу.

Суд над наукой

История с землетрясением в Л’Акуиле имела ироничный финал: в 2011 г. группа из семи ученых и правительственных чиновников предстала перед судом по обвинению в непредумышленном убийстве{370}. Прокуроры из Л’Акуилы утверждали, что подсудимые не обеспечили адекватного уведомления жителей об опасности значительного бедствия после целого «роя мелких землетрясений».

Очевидно, что этот суд был достаточно смехотворным. Но можно ли считать, что ученые могли лучше сделать свою работу? Вероятно. Существуют достаточно четкие доказательства того, что риск значительного землетрясения существенно (порой в 100–500 раз{371}) повышается после роя мелких. Тем не менее риск все же был крайне мал. Большинство «роев землетрясений» не приводит к возникновению серьезных последствий. Но было бы не совсем правильно предположить, что проблем нет и не может возникнуть и что жители могут расслабиться и выпить бокал вина.

В основе этой книги лежит убеждение в том, что первый долг любого прогнозиста состоит в сохранении верности истине. Политика в широком смысле этого слова порой может встать у него на пути.

Сейсмологическое сообщество до сих пор остается напуганным неудачными предсказаниями в Лиме и Паркфилде и тем, что ему приходится противостоять сильным противникам типа Джулиани. Это лишает ученых стимулов к работе и отвлекает от главной миссии. Плохие и безответственные прогнозы могут заменить собой хорошие.

Возможно, что Хоф права, утверждая, что мы никогда не сможем обрести святой Грааль в предсказании землетрясений. Даже если отдельные сейсмологи и ведут себя достаточно ответственно, мы тем не менее вынуждены оценивать коллективный исход этой научной дисциплины, а следовательно, все тысячи гипотез предсказуемости землетрясений. Имеющиеся на настоящий момент данные показывают, что большинство этих гипотез оказались неудачными и что какие-либо универсальные подходы к предсказанию землетрясений, по всей видимости, не работают.

Пока что можно вполне смело сказать, что если мы раз за разом используем один и тот же метод с небольшими корректировками, то это приводит к тем же самым результатам. Но история науки имеет массу примечательных страниц. Наука часто сталкивается с «непредсказуемыми» прорывами. Одна из областей, в которых сейсмологи смогли добиться определенного прогресса, связана с краткосрочными прогнозами землетрясений, что вполне могло бы помочь жителям Л’Акуилы.

Помимо закона Гутенберга – Рихтера, знание о том, что значительные землетрясения почти всегда приводят к появлению афтершоков, получило широкое признание в этой дисциплине. Некоторые сейсмологи, с которыми я общался, например Джон Рандл из Калифорнийского университета в Дэвисе и Том Йордан из Университета Южной Калифорнии, концентрируются на изучении этих краткосрочных прогнозов и убеждают других, что информация о содержимом таких прогнозов должна доноситься до публики ясно и в полном объеме.

Например, исследования Йордана показывают, что иногда афтершоки движутся в предсказуемом географическом направлении вдоль линии разлома. При движении в направлении населенных пунктов они могут представлять потенциальную угрозу для жизни и имущества даже при снижении магнитуды. Например, землетрясение магнитудой 5,8 балла в Крастчерче, Новая Зеландия, в 2011 г., когда погибло 185 человек, было афтершоком землетрясения в 7 баллов, возникшего в сентябре 2010 г. в отдаленном районе страны{372}. Когда речь заходит об афтершоках, у нас появляется значительно больше сигналов, поэтому концентрироваться на их изучении вполне естественно.