Гилберт Уокер: человек, который нашел качели в небе

В 1904 году его наняли для выполнения задачи, которую никто не знал, как решать: прогнозирования индийского муссона. У него не было никакой метеорологической подготовки. Его предшественник нанял его именно по этой причине — Индийскому метеорологическому департаменту был нужен не очередной синоптик, а математик, а Гилберт Уокер (Gilbert Walker) был «старшим рэнглером» (Senior Wrangler) в Кембридже. То, что он в конечном итоге обнаружил, изучив десятилетия показаний барометров со станций, разбросанных по всей планете, было ритмом, о котором никто не подозревал: гигантские качели атмосферного давления, раскачивающиеся между Индийским и Тихим океанами. Потребовалось шестьдесят пять лет и другой ученый, чтобы объяснить, почему они существуют.

Старший рэнглер, а затем поворот

Уокер родился в Рочдейле, Ланкашир, в 1868 году и прошел классический путь математической элиты викторианской эпохи: Тринити-колледж, Кембридж, где в 1889 году стал старшим рэнглером — это высший балл на математическом трайпосе, отличие, которое в ту эпоху функционировало как национальный рейтинг. Он остался работать научным сотрудником и читал лекции по прикладной математике.

Затем Джон Элиот (John Eliot), руководивший метеорологической службой Британской Индии, искал преемника и решил, что хочет человека с математическим складом ума, а не того, кто уже знает о погоде. Уокер оставил свою кембриджскую стипендию в 1903 году, а к 1904 году стал генеральным директором обсерваторий в Индии. На бумаге это было эксцентричное назначение. На практике это стало началом современной климатологии.

Работа, которую никто не мог сделать

Причиной существования департамента был муссон. Все в Индии — урожай, доходы, выживание десятков миллионов людей — зависело от того, придут ли летние дожди и сколько их будет, а усилия по прогнозированию, которые унаследовал Уокер, были ближе к догадкам, чем к науке.

Его подход был методологическим, а не наблюдательным. Он внедрил статистическую корреляцию и регрессию в область, которая практически их не использовала, и сделал это в масштабах всей планеты, систематически выискивая взаимосвязи между индийскими дождями и измерениями, сделанными в любой точке Земли. Фактически, это был промышленный анализ данных, проводимый с помощью карандашей, таблиц и большого штата людей-вычислителей, за десятилетия до появления машин. Это требовало необычайной смелости: Уокер предположил, что поведение атмосферы над Индией может быть прочитано по барометру в Чили или Австралии, не имея теории, объясняющей, почему это должно быть так.

Южная осцилляция

Он был прав. Из корреляционных таблиц возникло явление, которое он назвал «Южной осцилляцией» (Southern Oscillation) — гигантские качели атмосферного давления между Индийским и Тихим океанами, так что когда давление растет на одном конце, оно падает на другом, и вместе с этим происходят сдвиги температуры и осадков на огромных просторах земного шара. Уокер обнаружил режим изменчивости планетарного масштаба, который вел себя как единая связанная система.

Он не остановился на достигнутом. Он также идентифицировал Североатлантическую осцилляцию и Северотихоокеанскую осцилляцию, паттерны давления, которые определяют зимний климат Европы, Северной Америки и северной части Тихого океана. Вместе эти три открытия составляют большую часть базовой архитектуры, с помощью которой ученые-климатологи описывают межгодовую изменчивость. Южная осцилляция оказалась атмосферной половиной того, что сейчас называют Эль-Ниньо-Южным колебанием (El Niño-Southern Oscillation) — важнейшим источником межгодовых климатических изменений на планете.

Наряду с этим, работая над проблемами временных рядов, которые выявил анализ, Уокер разработал методы, которые вместе с методами статистика Удни Юла (Udny Yule) стали уравнениями Юла-Уокера (Yule-Walker equations) — фундаментальным аппаратом в анализе авторегрессионных процессов, используемым сегодня далеко за пределами метеорологии.

Рамануджан, бумеранги и флейты

Любопытство Уокера было недисциплинированным в самом лучшем смысле этого слова. Он публиковал работы по динамике бумерангов, аэродинамике полета птиц, физике флейты и теории относительности. Он был музыкантом и художником. В одном из самых значимых актов поиска талантов в истории математики он распознал способности Сринивасы Рамануджана (Srinivasa Ramanujan) и поддержал его рекомендацией в Мадрасский университет, что помогло получить стипендию, с которой началась карьера Рамануджана.

Он ушел в отставку из Индии в 1924 году, был посвящен в рыцари и продолжил климатические исследования в Имперском колледже Лондона, занимая пост президента Королевского метеорологического общества в 1926-27 годах. К тому времени он уже сформулировал тревогу, которая определила его собственный метод. В 1927 году он предупреждал, что «сегодня всегда существует риск того, что специалисты в двух предметах… вырастут не только без знания работы друг друга, но и будут игнорировать проблемы, требующие взаимной помощи».

Почему Гилберта называют гением

Данное качество является специфическим и несколько старомодным: способность обнаруживать реальную структуру в данных до того, как появится какая-либо теория, предсказывающая ее. Уокер не был физиком, объясняющим механизм. Он был математиком, который доверял корреляции, применял ее в масштабах, которые никто не пробовал, и обладал способностью отличить значимый планетарный сигнал от тысяч ложных зависимостей, которые неизбежно порождаются такими поисками. Нахождение Южной осцилляции таким способом было ближе к подвигу распознавания образов, чем к дедукции, а распознавание образов такого качества, поддерживаемое на протяжении десятилетий табличных чисел, встречается редко.

Контраргумент прост, и сам Уокер не мог на него ответить. Он мог описать качели; он не мог сказать, что заставляет их качаться. Без физического механизма корреляция, какой бы надежной она ни была, остается уязвимой для обвинения в том, что она является артефактом очень большого поиска. Объяснение появилось только в 1969 году, когда Якоб Бьеркнес (Jacob Bjerknes) продемонстрировал связь между океаном и атмосферой, которая управляет системой, и именно Бьеркнесу приписывают физическое объяснение. Существует также вопрос масштаба: у Уокера были ресурсы колониальной научной службы и армии клерков, выполняющих арифметические действия. То, что он предоставил, было направлением, а не расчетами.

И все же направление было самой сложной частью. Он решил искать телесвязи через океаны, когда не было причин их ожидать, он назвал правильные, и структуры, которые он идентифицировал — Южная, Североатлантическая, Северотихоокеанская — остаются стандартным словарем области спустя столетие. Это очень высокий показатель попаданий для того, кто работал вслепую. Слово «гений» здесь вполне уместно, при условии, что оно означает исключительное чутье на сигналы, а не исключительное теоретическое воображение.

Наследие

Уокер умер в 1958 году, за одиннадцать лет до того, как Бьеркнес оправдал его. Атмосферное опрокидывание, которое приводит в движение Тихий океан, теперь называют циркуляцией Уокера (Walker Circulation); Институт Уокера при Университете Рединга несет его имя в современные климатические исследования; а уравнения Юла-Уокера лежат в наборе инструментов любого, кто занимается аппроксимацией временных рядов. Каждый сезонный прогноз, который начинается с вопроса о том, что делает Эль-Ниньо в этом году, работает в рамках системы, которую он собрал из показаний барометра и коэффициентов корреляции, в служении вопросу — придут ли дожди? — на который он так и не смог дать полный ответ.