Введение
Предсказуемость — это степень, в которой возможно точное предсказание состояния системы, будь то качественное или количественное.
Predictability is the degree to which a correct prediction or forecast of a system's state can be made, either qualitatively or quantitatively.
Предсказуемость и причинно-следственная связь
Причинный детерминизм тесно связан с предсказуемостью. Полная предсказуемость подразумевает строгий детерминизм, но отсутствие предсказуемости не обязательно означает отсутствие детерминизма. Ограничения предсказуемости могут быть вызваны такими факторами, как недостаток информации или чрезмерная сложность. В экспериментальной физике всегда присутствуют ошибки измерений, влияющие на определение переменных, таких как положения и скорости. Поэтому абсолютно точное предсказание практически невозможно. Более того, в современной квантовой механике принцип неопределенности Гейзенберга накладывает ограничения на точность, с которой эти величины могут быть известны. Таким образом, подобная полная предсказуемость также теоретически невозможна.
Демон Лапласа
Демон Лапласа — это всеведущий разум, способный полностью предсказать единственно возможное будущее, исходя из ньютоновских законов динамики классической физики и совершенного знания положения и скорости всех частиц в мире. Иными словами, если бы существовала возможность обладать всеми данными о каждом атоме во Вселенной с момента её возникновения, можно было бы предсказать поведение каждого атома в будущем. Детерминизм Лапласа обычно связывают с его механикой, однако он не смог математически доказать, что механика является детерминированной. Скорее, его детерминизм основывается на общих философских принципах, в частности, на принципе достаточного основания и законе непрерывности.
В статистической физике
Хотя второй закон термодинамики может определить равновесное состояние, к которому система будет стремиться, и стационарные состояния в диссипативных системах иногда поддаются предсказанию, не существует общего правила для предсказания временной эволюции систем, находящихся вдали от равновесия, например, хаотических систем, если они не приближаются к равновесному состоянию. Их предсказуемость обычно снижается со временем, и для количественной оценки предсказуемости можно измерить скорость расхождения траекторий системы в фазовом пространстве (энтропия Колмогорова — Синая, показатели Ляпунова).
В математике
В стохастическом анализе случайный процесс считается предсказуемым, если его следующее состояние можно определить, зная состояние в настоящий момент времени. Теория хаоса – раздел математики, изучающий поведение систем, крайне чувствительных к начальным условиям. Она показывает, что даже незначительное изменение начальных условий может кардинально изменить развитие системы. Это явление известно как эффект бабочки, согласно которому взмах крыльев бабочки в Бразилии теоретически может вызвать торнадо в Техасе. Суть теории хаоса заключается в том, что предсказуемость любой системы ограничена, поскольку невозможно абсолютно точно знать все детали системы в данный момент времени. В принципе, детерминированные системы, которые анализирует теория хаоса, поддаются прогнозированию, однако неопределенность прогноза экспоненциально возрастает с течением времени. Как показано в исследованиях Лоренца, выделяют три основных типа эффекта бабочки: чувствительную зависимость от начальных условий, способность малого возмущения создавать организованную циркуляцию на больших расстояниях и гипотетическую роль процессов малого масштаба в обеспечении конечной предсказуемости. Эти три типа эффекта бабочки не идентичны.
В человеческом-компьютерном взаимодействии
В исследовании взаимодействия человека и компьютера предсказуемость – это способность прогнозировать последствия действия пользователя, исходя из текущего состояния системы. Современный пример взаимодействия человека и компьютера проявляется в разработке алгоритмов компьютерного зрения для программного обеспечения предотвращения столкновений в беспилотных автомобилях. Исследователи из NVIDIA Corporation, Принстонского университета и других учреждений используют глубокое обучение, чтобы научить компьютеры предвидеть последующие дорожные ситуации, основываясь на визуальной информации о текущем и предыдущем состоянии. Другим примером взаимодействия человека и компьютера являются компьютерные симуляции, предназначенные для предсказания поведения человека на основе алгоритмов. Например, в Массачусетском технологическом институте (MIT) недавно разработали невероятно точный алгоритм для прогнозирования поведения людей. При тестировании на телевизионных шоу алгоритм с высокой точностью предсказывал последующие действия персонажей. Алгоритмы и компьютерные симуляции подобного рода демонстрируют большой потенциал для будущего искусственного интеллекта.
В обработке человеческих решений
Лингвистическое предсказание – это явление в психолингвистике, возникающее всякий раз, когда информация о слове или другой языковой единице активируется до того, как с этой единицей фактически столкнутся. Данные, полученные с помощью отслеживания движений глаз, регистрации событий потенциалов и других экспериментальных методов, свидетельствуют о том, что помимо интеграции каждого последующего слова в контекст, сформированный ранее встреченными словами, носители языка могут, при определенных условиях, пытаться предсказать следующие слова. Показано, что предсказуемость влияет как на восприятие текста и речи, так и на порождение речи. Более того, предсказуемость оказывает влияние на синтаксическое, семантическое и прагматическое понимание.
В биологии
В биологии, особенно в генетике и нейробиологии, предсказуемость связана с прогнозированием биологического развития и поведения на основе унаследованных генов и прошлого опыта. В научном сообществе существуют значительные споры о том, является ли поведение человека полностью предсказуемым, исходя из его генетики. Исследования, такие как проведенное в Израиле, показали, что судьи с большей вероятностью выносят более мягкий приговор, если они недавно ели. Помимо подобных случаев, доказано, что люди кажутся более привлекательными тем, у кого комплементарные гены иммунитета, что приводит к усилению физического влечения. Генетику можно исследовать, чтобы определить предрасположенность человека к тем или иным заболеваниям, а поведенческие расстройства чаще всего можно объяснить анализом дефектов в генетическом коде. Ученые, фокусирующиеся на подобных примерах, утверждают, что человеческое поведение полностью предсказуемо. Те, кто придерживается противоположной точки зрения, утверждают, что генетика лишь создает предрасположенность к определенному поведению, и что, в конечном счете, люди обладают свободой воли, чтобы выбрать, действовать или нет. Поведение животных значительно более предсказуемо, чем поведение человека. Под влиянием естественного отбора, животные развивают брачные призывы, сигналы тревоги о хищниках и коммуникативные танцы. Одним из примеров такого врожденного поведения является сурок Бельдинга, который разработал специфический набор сигналов, предупреждающих сородичей о хищниках. Если сурок замечает хищника на земле, он издает трель, добравшись до безопасного места, сигнализируя тем самым сородичам встать на задние лапы и попытаться обнаружить хищника. При обнаружении хищника в воздухе сурок немедленно издает протяжный свист, подвергая себя опасности, но предупреждая сородичей укрыться. Благодаря экспериментам и исследованиям ученые смогли изучить подобное поведение животных и с высокой точностью предсказывать их действия в определенных ситуациях.
В популярной культуре
Изучение предсказуемости часто порождает споры между теми, кто верит в полную свободу воли человека, и теми, кто считает, что наши действия предопределены. Однако, скорее всего, ни Ньютон, ни Лаплас не видели в изучении предсказуемости связи с детерминизмом.
Погода и климат
По мере того, как изменение климата и другие погодные явления становятся всё более частыми, возрастает важность предсказуемости климатических систем. МГЭИК отмечает, что предсказать детальные климатические взаимодействия в будущем сложно, однако долгосрочные климатические прогнозы возможны.
Двойственный характер с четкой предсказуемостью
Спустя более 50 лет после исследования Лоренца 1963 года и его доклада 1972 года, утверждение о том, что "погода хаотична", стало общепринятым. Исследования были сосредоточены на сосуществовании хаотических и регулярных решений, возникающих в одной и той же модели при использовании одинаковых конфигураций моделирования, но различных начальных условий. Результаты, демонстрирующие сосуществование аттракторов, указывают на то, что погода в целом обладает двойственной природой, сочетающей хаос и порядок, с определенной степенью предсказуемости. Используя медленно меняющийся периодический параметр нагрева в обобщенной модели Лоренца, Шен и его соавторы предложили новый взгляд: "Атмосфера обладает как хаосом, так и порядком; она включает в себя, например, возникающие организованные системы (такие как торнадо) и изменяющееся во времени воздействие, обусловленное повторяющимися сезонами".
Барьер предсказуемости весны
Весенний барьер предсказуемости – это период времени в начале года, когда затруднительно делать прогнозы погоды на лето, касающиеся явления Эль-Ниньо – Южной осцилляции. Причины этой трудности неизвестны, хотя было предложено множество теорий. Существует предположение, что это связано с переходом ENSO, во время которого условия меняются особенно быстро.
В макроэкономике
Предсказуемость в макроэкономике чаще всего относится к степени соответствия экономической модели квартальным данным и возможности успешной идентификации внутренних механизмов распространения в этой модели. Примеры макроэкономических показателей США, представляющих интерес, включают, но не ограничиваются, потребление, инвестиции, реальный ВВП и фонд капитала. Факторы, влияющие на предсказуемость экономической системы, включают горизонт прогнозирования (два или двадцать лет) и изменчивость оценок. Математические методы оценки предсказуемости макроэкономических тенденций все еще находятся в стадии разработки.