Введение

Английский метеоролог и математик (1881–1953)

Льюис Фрай Ричардсон, член Королевского общества.

Ранние годы

Льюис Фрай Ричардсон был младшим из семи детей Кэтрин Фрай (1838–1919) и Дэвида Ричардсона (1835–1913). Они происходили из состоятельной семьи квакеров, где Дэвид Ричардсон успешно занимался производством и обработкой кожи. В 12 лет он был отправлен в квакерскую школу-интернат Бутэм в Йорке, где получил естественнонаучное образование, пробудившее у него живой интерес к естественной истории. В 1898 году он поступил в Дуремский колледж наук (входивший в состав Университета Дарема), где изучал математическую физику, химию, ботанику и зоологию. В 1900 году он продолжил обучение в Королевском колледже Кембриджа, где изучал физику в рамках программы естественных наук под руководством, в частности, Дж. Дж. Томсона и в 1903 году окончил колледж с отличием. В возрасте 47 лет он получил докторскую степень по математической психологии в Лондонском университете.

Пацифизм

Квакерские убеждения Ричардсона подразумевали убежденный пацифизм, который освободил его от военной службы во время Первой мировой войны как отказника от военной службы по убеждениям, однако впоследствии лишил его возможности занимать какие-либо академические должности. С 1916 по 1919 год Ричардсон работал в санитарном отряде "Друзья", прикрепленном к 16-й французской пехотной дивизии. После войны он вернулся в Метеорологическое управление, но был вынужден уйти в отставку по соображениям совести, когда в 1920 году оно было объединено с Министерством авиации. Впоследствии он занимался научной деятельностью на периферии академического мира, прежде чем в 1940 году вышел на пенсию, чтобы посвятить себя исследованиям собственных идей. Его пацифизм оказал непосредственное влияние на его научные интересы. По словам Томаса Кёрнера, осознание того, что его метеорологические работы представляют ценность для конструкторов химического оружия, побудило его прекратить все усилия в этой области и уничтожить неопубликованные результаты исследований.

Попытка Ричардасона сделать численный прогноз

Одним из самых знаменитых достижений Ричардсона является его ретроспективная попытка спрогнозировать погоду за один день – 20 мая 1910 года – посредством непосредственных вычислений. В то время метеорологи составляли прогнозы главным образом, опираясь на поиск схожих погодных паттернов в исторических данных и последующую экстраполяцию. Ричардсон попытался использовать математическую модель основных характеристик атмосферы и, используя данные, собранные в определенное время (7 утра), вычислить погоду на шесть часов вперед с нуля (ab initio). Как отмечает метеоролог Питер Линч, прогноз Ричардсона оказался драматически неудачным, предсказав значительное повышение давления за шесть часов, в то время как фактическое давление оставалось практически неизменным. Однако детальный анализ Линча показал, что причиной неудачи стало отсутствие применения методов сглаживания данных, которые исключают нефизические скачки давления. При применении этих методов прогноз Ричардсона оказывается по сути точным – замечательное достижение, учитывая, что вычисления были выполнены вручную, и в то время как Ричардсон служил в санитарном отряде квакеров на севере Франции.

Математический анализ войны

Ричардсон также применил свои математические навыки для реализации своих пацифистских принципов, в частности, для понимания основ международного конфликта. По этой причине он сейчас считается инициатором или соинициатором (вместе с Куинси Райтом и Питиримом Сорокиным, а также другими, такими как Кеннет Болдинг, Анатоль Рапапорт и Адам Керл) научного анализа конфликта — междисциплинарной области количественной и математической социальной науки, посвященной систематическому исследованию причин войны и условий мира. Подобно тому, как он исследовал погоду, он анализировал войну, используя главным образом дифференциальные уравнения и теорию вероятностей. Рассматривая вооружение двух стран, Ричардсон предложил идеализированную систему уравнений, в которой скорость наращивания вооружений страны прямо пропорциональна количеству вооружений ее соперника и степени враждебности по отношению к нему, и обратно пропорциональна количеству вооружений, которыми она уже обладает. Решение этой системы уравнений позволяет делать ценные выводы о природе, стабильности или нестабильности различных гипотетических условий, которые могут сложиться между странами. Он также выдвинул теорию о том, что склонность к войне между двумя странами является функцией длины их общей границы. В книгах «Оружие и незащищенность» (1949) и «Статистика смертельных распрей» (1960) он стремился статистически проанализировать причины войны. Среди оцениваемых им факторов были экономика, язык и религия. В предисловии ко второй книге он писал: «В мире существует множество блестящих и остроумных политических дискуссий, которые не приводят к каким-либо определенным выводам. Моя цель была иной: исследовать несколько идей с помощью количественных методов в надежде получить надежный ответ». В «Статистике смертельных распрей» Ричардсон представил данные практически по каждой войне с 1815 по 1945 год. В результате он выдвинул гипотезу о логарифмической шкале с основанием 10 для конфликтов. Иными словами, мелких стычек, в которых погибает немного людей, гораздо больше, чем крупных, в которых гибнет много. Хотя размер конфликта нельзя предсказать заранее — фактически, невозможно установить верхний предел для этой серии — в целом они подчиняются распределению Пуассона. В меньшем масштабе он продемонстрировал ту же закономерность для убийств, совершаемых бандами в Чикаго и Шанхае. Другие отмечали, что подобные статистические закономерности часто встречаются, будь то в спланированных событиях (лотереи, где мелких выигрышей гораздо больше, чем крупных) или в естественной организации (в небольших городах больше продуктовых магазинов, чем в крупных — супермаркетов).

Исследования по длине береговой линии и границ

Ричардсон решил поискать связь между вероятностью войны между двумя странами и длиной их общей границы. Однако, собирая данные, он обнаружил значительные расхождения в опубликованных длинах международных границ. Например, длина границы между Испанией и Португалией указывалась как 987 или 1214 км, а между Нидерландами и Бельгией – 380 или 449 км. Причиной этих несоответствий является «парадокс береговой линии». Предположим, что побережье Великобритании измеряется линейкой длиной 200 км, при этом оба конца линейки должны касаться побережья. Теперь разрежем линейку пополам и повторим измерение, затем повторим:

Чем меньше линейка, тем длиннее получается береговая линия. Можно было бы предположить, что эти значения сойдутся к конечному числу, представляющему истинную длину береговой линии. Однако Ричардсон показал, что это не так: измеренная длина береговых линий и других природных объектов неограниченно возрастает при уменьшении единицы измерения. Это явление сейчас известно как эффект Ричардсона. В то время исследования Ричардсона были проигнорированы научным сообществом. Сегодня они считаются одним из первых шагов в современном изучении фракталов. Исследование Ричардсона было процитировано математиком Бенуа Мандельбротом в его статье 1967 года «How Long Is the Coast of Britain?». Ричардсон выявил значение (между 1 и 2), которое описывает изменения (при увеличении детализации измерений) в наблюдаемой сложности конкретной береговой линии; это значение послужило моделью для концепции фрактальной размерности.

Патенты на обнаружение айсбергов

В апреле 1912 года, вскоре после гибели корабля "Титаник", Ричардсон зарегистрировал патент на обнаружение айсбергов с использованием акустической эхолокации в воздухе. Месяц спустя он зарегистрировал аналогичный патент на акустическую эхолокацию в воде, предвосхитив изобретение сонара Полом Лангевеном и Робертом Бойлем через 6 лет.

В популярной культуре

Вымышленная версия Ричардсона по имени Уоллес Райман играет ключевую роль в романе Джайлса Фодена «Турбулентность». Ричардсон упоминается в работе Джона Бруннера «Стой на Занзибаре», где «Статистика смертельных ссор» используется как аргумент в пользу неизбежности войн. Работа Ричардсона также упоминается в научно-фантастической новелле Пола Андерсона «Короли, которые умирают». Ричардсон упоминается в романе Чарли Кауфмана 2020 года «Antkind». Знаменитая цитата Ричардсона: «Большие вихри имеют маленькие вихри, питающиеся их скоростью; маленькие вихри имеют меньшие вихри и так далее до вязкости» — упоминается в песне «Dots & Lines», написанной и исполненной лириком и рэпером Лупе Фиаско.

Личная жизнь

В 1909 году он женился на Дороти Гарнетт (1885–1956), дочери математика и физика Уильяма Гарнетта. Они не могли иметь детей из-за несовместимости групп крови, но усыновили двух сыновей и дочь в период с 1920 по 1927 год. Племянник Ричардсона, Ральф Ричардсон, стал известным актером. Его троюродный племянник (по линии старшего брата его жены Дороти, (Джеймса Клерка) Максвелла Гарнетта, члена Ордена Британской империи), Джулиан Хант, стал метеорологом и генеральным директором и главным исполнительным директором Британского метеорологического управления с 1992 по 1997 год. Его троюродная племянница – по той же линии родства – бывший политик Вирджиния Боттмли, ныне баронесса Боттмли.