Анализ данных, статистика и вероятность physics.data-an

Барометр на острове Таити и барометр в австралийском городе Дарвин показывают разное давление. Вычти одно из другого, и получится число, которое климатологи называют индексом Южного колебания. Оно меняется каждый день, но в этих ежедневных скачках прячутся ровные ритмы, как в шуме оркестра прячутся удары метронома.

Океан похож на маятник с памятью. Толчок от сезонных ветров возвращается к нему не сразу, а спустя месяцы, когда волна пересекает Тихий океан. Именно эта задержка, по мысли авторов, заставляет Эль-Ниньо и Ла-Нинью раз за разом достигать пика в одно и то же время года. Модель сводит океан к одному числу — температуре поверхности, а физику прячет в запаздывании.

Представьте гигантскую паутину, натянутую между тысячами точек на поверхности Земли. Каждая нить соединяет два места, где температура воздуха меняется согласованно: если теплеет в одном узле, теплеет и в другом. Эту паутину можно построить по данным за любой год, а потом сравнить, как она выглядела в разные годы.

В 1988 году температура поверхности Тихого океана начала меняться задолго до того, как метеорологи объявили о наступлении Эль-Ниньо. Точки на карте, разбросанные по экватору, стали вести себя согласованно: если в одном месте вода теплела, то и в соседнем тоже.

Оркестр без дирижёра: инструменты сами выстраивают ритм. Так можно описать климатическую систему Индо-Тихоокеанского региона, где температура поверхности океана колеблется на множестве временных масштабов — от сезонных до многодесятилетних. Раньше, чтобы услышать отдельный инструмент, приходилось заранее настраивать фильтры, отсекая всё остальное.

Представьте карту Китая, на которой редкие зелёные пятна разбросаны по жёлтой пустыне. Эти пятна — места, где климатическая модель GloSea5 действительно умеет заглядывать на три месяца вперёд, а пустыня — всё остальное, где её прогнозы не лучше подбрасывания монетки.

Переводчик, который слышит только смысл, а не шум в зале, способен точно передать разговор. Климатологи давно ищут такого переводчика для пары океан и атмосфера: их взаимодействие похоже на беседу, где голоса тонут в грохоте посторонних звуков.

Представьте себе паутину, натянутую между всеми уголками Земли: каждая нить — это совпадение температурных колебаний в двух точках. В обычные годы паутина аккуратно поделена на региональные клубки, но когда приходит Эль-Ниньо, нити рвутся и переплетаются заново, соединяя далёкие континенты.

Представьте глобус, расчерченный на клетки: у полюсов они сжимаются в узкие клинья, у экватора растягиваются в широкие полосы. Если соединить случайные точки на таком глобусе линиями, стрелки компаса будут врать: связи станут указывать туда, где клеток больше, а не туда, куда действительно направлены потоки.

Океан помнит свою погоду. Каждый месяц температура его поверхности складывается в огромную карту, и если найти в прошлом похожую карту, можно увидеть, что случилось дальше. Именно так работает новый метод прогноза Эль-Ниньо — тёплого течения, которое раз в несколько лет меняет климат половины планеты.

Оркестр играет в Тихом океане уже больше века. Одни инструменты ведут быструю мелодию, другие тянут медленную басовую линию, и все вместе они создают узор тёплых и холодных пятен на поверхности воды.

Климат Земли напоминает хор, в котором каждый участник поёт свою партию на своей высоте. Одни голоса тянут низкие ноты, как многолетние колебания температуры океана, другие выводят быстрые трели, как короткие атмосферные волны. Дирижёру нужно расслышать каждого, но голоса перекрываются, и ноты сливаются в кашу.

В феврале 2017 года Лима, город с населением более десяти миллионов человек, оказалась под ударом Эль-Ниньо: тёплое течение у берегов Перу принесло ливни, наводнения и оползни. Погибло более ста человек, тысячи домов были разрушены, а дороги превратились в реки.

Переводчик в зале заседаний слышит не только отдельные голоса, но и то, как они перекликаются: один спикер замолкает, второй подхватывает мысль, третий уточняет. Если убрать перекличку, останется набор монологов, и смысл разговора ускользнёт.

В 1960 году метеоролог на станции в Перу записывает температуру воды, а фермер в Индии смотрит на небо в ожидании муссона. Между этими двумя событиями нет прямой связи, но через несколько месяцев одно отзовётся в другом.

В Тихом океане раз в несколько лет теплеет вода у берегов Перу, и рыбаки называют это Эль-Ниньо. Иногда потепление слабое, иногда такое сильное, что меняет погоду на всей планете. Прогнозировать сильное Эль-Ниньо за полгода или год — задача на границе возможного: погода забывается за две недели, а климат помнит десятилетия.

Метеоролог смотрит на карту давления и пытается понять, куда двинется циклон. У него есть модель, но она ошибается, и есть свежие измерения, но они неполны. Соединить их так, чтобы прогноз остался физически осмысленным, труднее, чем кажется: классические методы иногда выдают отрицательную температуру или невозможную вероятность. Новый подход смотрит на задачу глазами квантовой механики.

Тихий океан размером с половину планеты, а его настроение решает, будут ли дожди в Индии или засуха в Австралии. В центре этого гиганта, в области с координатами, которые климатологи называют NINO3.4, температура воды то поднимается, то опускается, и от этого зависят миллионы жизней.

Рыбак натягивает сеть и слушает, как она звенит. Каждая нить дрожит по-своему, но перед сильным рывком все нити начинают вибрировать в лад. Так и в сложных системах: перед резким скачком состояния отдельные части вдруг начинают колебаться согласованно, и эта согласованность выдаёт приближение скачка. Учёные построили модель из 500 связанных осцилляторов ФитцХью–Нагумо на кольце.

Переводчик отвлекается на каждый шорох в зале — и час совещания превращается в два. Так работали старые статистические модели Эль-Ниньо: они выхватывали отдельные цифры из океанских карт, но не видели, как тёплое пятно у берегов Перу связано с холодным языком у Австралии. Новая нейросеть ведёт себя иначе: она следит не за каждым словом, а за смыслом абзаца.

Оркестр без дирижёра играет сложную пьесу. Слушатель слышит общую музыку, но хочет понять, кто ведёт мелодию, а кто лишь подхватывает её в унисон.

Оркестр без дирижёра: музыканты рассаживаются, настраивают инструменты и начинают играть слаженно, потому что каждый слышит общий ритм. Так работает TreeDOX — метод, который предсказывает хаотические ряды, не требуя от человека ни выбора параметров, ни тонкой настройки.

Климат похож на оркестр без дирижёра: каждый музыкант слышит остальных с задержкой, а партитура меняется прямо во время концерта. Океан, атмосфера, лёд и суша непрерывно обмениваются энергией, и малейший сбой в одном инструменте может перерасти в смену всей мелодии.

Художник, пишущий океан, не ограничивается двумя красками: тёплой и холодной. Так и климатологи, изучающие Эль-Ниньо, всё чаще говорят о целой палитре оттенков. Эль-Ниньо — это тёплое течение у берегов Перу, которое раз в несколько лет меняет погоду по всей планете. Его противоположность, Ла-Нинья, приносит холод.

Каждый сезон ураганов в Атлантике похож на игру в кости, где число выпавших очков зависит от трёх крупных климатических сил: Эль-Ниньо, температуры океана в «колыбели ураганов» и североатлантического колебания.

На качелях можно сидеть и раскачиваться, а можно просто переваливаться с одной стороны на другую. Тихий океан делает и то и другое. Раз в несколько лет тёплая вода у берегов Перу сменяется холодной, и осадки, ветры, целые экосистемы на половине планеты перестраиваются. Эти смены называют Эль-Ниньо и Ла-Нинья, а вместе — ЭНСО, климатические качели Земли.

Параплан, дельтаплан и планер — три разных крыла, но в небе они ведут себя одинаково. Пилоты ловят невидимые тёплые потоки воздуха, поднимаются на них, а потом скользят к следующему. Такой полёт похож на игру в классики: прыжок вверх, потом скольжение вперёд, и снова поиск места для прыжка. Учёные проанализировали тысячи реальных маршрутов и нашли общий закон.

Тибетское нагорье — это гигантская губка, которая впитывает дожди и снег, а потом отдаёт воду рекам Азии. С 2000 года губка становится всё более влажной. Учёные решили проверить: делает ли эта влага губку крепче или, наоборот, размягчает её? Они применили меру беспорядка — энтропию. Если влага в почве распределена хаотично, где-то сухо, где-то мокро, энтропия высокая.

Группа людей ищет потерянную вещь в большом парке. Кто-то устаёт и уходит, кто-то присоединяется по дороге. Число ищущих всё время меняется. Как это влияет на время поиска? До сих пор у науки не было чёткого ответа. В новой работе построена общая модель такого процесса. В ней независимые участники случайным образом входят в поиск и покидают его.

В детекторе Большого адронного коллайдера после каждого столкновения протонов остаются тысячи точек — следы разлетающихся частиц. Нейросеть научилась видеть в этом узоре закономерности и предсказывать, что произошло в момент удара.

Нейросеть, изначально обученная отличать подлинные гравитационные волны — рябь пространства-времени от помех в детекторе, без какого-либо дообучения распознаёт износ подшипников по их вибрациям.

Чтобы отличить один белок от другого, нужно описать его форму и состав. Таких описаний — десятки: длина молекулы, заряд, растворимость. Но не все они одинаково полезны. Метод под названием Differentiable Information Imbalance (DII) умеет отбирать самые информативные характеристики, отбрасывая лишние.

Нейросеть можно сравнить с общежитием, где каждому жильцу полагается своя комната. Обычно каждый признак в данных занимает отдельный нейрон, и обучение идёт по очереди: сначала один признак, потом другой. Это медленно и зависит от того, какие именно данные попались. Но если разрешить нескольким признакам жить в одной комнате — наложить их друг на друга, — картина меняется.

Тысячи моделей варятся в одном котле, и пар от них поднимается густой, непроглядный. Каждая что-то шепчет о будущем Эль-Ниньо, но в общем шуме не разобрать, кто прав, а кто просто горячится. Учёные придумали перегонный куб: отбирают только те модели, которые уже угадали фазу события, и выпаривают из них двенадцать чистых капель-прототипов.

В августе 2017 года детекторы гравитационных волн поймали сигнал от слияния двух нейтронных звёзд — сверхплотных остатков взорвавшихся светил. В тот же миг по всей Земле шли обычные будни: самолёты садились, машины ехали, а навигаторы считали маршруты.

Свет далёкой звезды, пройдя сквозь воздух и линзы телескопа, теряет резкость — будто смотришь на фонарь сквозь мокрое стекло. Астрономы называют это размытие «отпечатком пальца» телескопа: у каждого инструмента он свой, и его нужно знать до мелочей. Раньше этот «отпечаток» снимали по кусочкам: каждый светочувствительный чип камеры обрабатывали отдельно, и общая картина теряла связность.

На кремниевой пластине размером с обеденную тарелку можно разместить не одно вещество, а целую карту из тысяч разных составов. Лазер выбивает атомы из мишеней и осаждает их тонкими слоями, меняя пропорции от точки к точке. Так получается библиотека материалов: где-то больше одного металла, где-то другого, и все сочетания видны сразу. Но при комнатной температуре многие свойства не видны.

Солнечная панель на крыше утром даёт мало тока, в полдень — много, а ночью молчит. Ветер тоже дует не как попало: утром и вечером часто сильнее, чем днём. Энергетикам нужно знать заранее, сколько энергии будет через час или три, чтобы вовремя включать резервные станции или запасать электричество в батареях.

Обычный компьютер, когда ищет закон природы по данным, пытается угадать готовую формулу целиком. Это как если бы повар, не зная рецепта, разом вывалил все ингредиенты в кастрюлю и надеялся, что получится суп. Чаще всего выходит несъедобная каша: формула длинная, но бессмысленная, и на новых данных она ошибается. Учёные предложили другой путь: пусть машина идёт по стопам великих физиков.

В тёмной шахте под итальянскими Альпами стоит бак с тремя тоннами жидкого ксенона. Когда в него попадает частица, она выбивает из атомов слабые вспышки света и облачка электронов. По этим следам физики надеются увидеть редчайший распад: ядро ксенона-136 превращается в барий-136, испуская два электрона и ни одного нейтрино.