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

Поначалу Боумэн и его команда достигли определенного успеха; его метод позволил выявить зону риска на Суматре, в эпицентре которой в марте 2005 г. произошел серьезный афтершок с измеренной магнитудой 8,6 балла. Однако в научной работе, которую он опубликовал в 2006 г., было высказано предположение, что риск землетрясений в другой части разлома, в Индийском океане недалеко от индонезийской провинции Бенкулу особенно мал{353}. Но уже через год, в сентябре 2007 г., целый ряд землетрясений произошел именно в этой области, причем магнитуда самого сильного из них достигала 8,5 балла. К счастью, землетрясения произошли достаточно далеко от берега и привели к незначительным жертвам. Однако они оказались разрушительными для теории Боумэна.

Между молотом и наковальней

После того как его модель потерпела фиаско, в 2007 г. Боумэн поступил так, как редко делают прогнозисты. Вместо того чтобы возложить всю вину на неудачу (его модель допускала некоторую возможность землетрясения около Бенкулу, однако незначительную), он еще раз изучил ее и решил, что его подход к предсказанию землетрясений был фундаментально ошибочным, – после чего сдался.

«Я – несостоявшийся прогнозист, – рассказывал мне Боумэн в 2010 г. – Я совершил смелый и глупый поступок – выступил с предсказанием, которое можно проверить. Именно это, в принципе, мы и должны делать, но, когда предсказания оказываются ошибочными, это приносит боль».

Идея Боумэна заключалась в том, чтобы выделить основополагающие причины землетрясений – и на их основе формулировать прогнозы. В сущности, он хотел понять, каким образом изменяется и распространяется напряжение во всей системе. В основе его подхода лежала теория хаоса.

Сама по себе теория хаоса – это демон, которого можно приручить. И это удалось, хотя бы частично, сделать синоптикам. Они гораздо лучше понимают, что происходит в атмосфере, чем сейсмологи – в земной коре. В большей или меньшей степени они представляют себе, как работает погода на молекулярном уровне.

У сейсмологов нет такого преимущества. «Анализировать климатические системы просто, – размышлял Боумэн. – Если они хотят увидеть, что происходит в атмосфере, им нужно просто посмотреть наверх. Мы же смотрим на лежащий под ногами камень. Большинство событий происходит на глубине 15 м под землей. Если отвлечься от того, что показывают в фантастических фильмах, у нас нет никакой надежды туда попасть. Это – фундаментальная проблема. Нет такого способа, используя который можно было бы напрямую измерить напряжение».

Не обладая теоретическим пониманием, подобным тому, что есть у синоптиков, сейсмологи вынуждены полагаться исключительно на статистические методы предсказания землетрясения. Вы можете ввести статистическую переменную под названием «напряжение» в свою модель, как попытался сделать Боумэн. Однако, поскольку величину этой переменной невозможно измерить напрямую, она может быть выражена исключительно в виде математической функции от параметров прошлых землетрясений. Боумэн полагает, что исключительно статистические подходы подобного рода, с большой долей вероятности, не сработают. «Набор данных содержит огромную долю шума, – полагает он. – При тестировании гипотез мы просто не можем получить статистически значимые результаты».

Процесс, происходящий в системах, основанных на данных с большой долей шума и на не до конца разработанной теории (а таковыми являются предсказания землетрясений или отдельные области экономики и политики), состоит из двух этапов. Сначала люди начинают ошибочно принимать шум за сигнал. После этого возникший шум заполняет журналы, блоги и новости ложными сигналами, подрывающими научное развитие и мешающими нам понимать, как на самом деле работает система.

Оверфиттинг: самая важная научная проблема, о которой вы никогда не слышали

Когда статистики ошибаются и принимают шумы за сигнал, они называют это оверфиттингом[78]. Представьте себе, что вы – мелкий уголовник, а я – ваш босс. Я поручаю вам найти хороший метод подбора цифровых комбинаций для цифровых замков, аналогичных тем, что можно найти в школьных шкафчиках (возможно, мы хотим стащить у школьников деньги, припасенные на обед). Я хочу, чтобы вы нашли способ, позволяющий с высокой вероятностью подобрать нужную комбинацию замков в любое время и в любом месте. Для практики я даю вам три замка – красный, черный и синий.

Поэкспериментировав с замками в течение нескольких дней, вы возвращаетесь ко мне и рассказываете, что смогли найти ошибкоустойчивое решение. По вашим словам, если замок красный, то правильная комбинация – 27–12–31. Если он черный, то нужно использовать цифры 44–14–19, а если синий – 10–3–32.