混沌の支配

しかし、なぜその日の天気の予測に厳しい制限が必要なのでしょうか?天然痘を撲滅し、スーパーコンピューターを構築し、人類を月に送り込んだ人類の進歩と理解には、どうして限界があるのでしょうか?私たちは、抑制できないエージェントによって制限されていることが判明しました。それをカオスといいます。確かに、混乱をある程度まで飼いならすことはできますが、克服することはできません。混沌のおかげで、未来は完全に決定されるわけではありません。

私たちの宇宙では、カオスは時間の経過とともに進化するあらゆるシステムの強力な特性です。小さな未知数や誤差が増幅すると、予測に混乱が生じます。それは、わずかにコースから外れた軌道で月に送られ、最終的に宇宙の黒いエーテルを通り過ぎて航行する宇宙船に似ています。一部の星系は他の星系よりも本質的により混沌としています (ありがたいことに、今日の月の軌道はかなり安定しています)。しかし、地球の大気は、空気の上昇、沈下、旋回によって絶え間なく進化しており、混乱の準備が整っています。そこでは混沌が栄えます。なぜなら、その雰囲気を完璧に完全に知ることができないからです。なぜだめですか？最小レベルでは、原子がどこにあり、どのくらいの速度で移動しているかを正確に知ることは不可能であり、これは「」と呼ばれる強力な物理法則です。不確定性原理(新しいタブで開きます)」さらに、空気中のほんのわずか、小さな、検出できない渦や摂動でさえ、大気の未来を劇的に変える可能性があります。これらすべては、私たちが広大で揺れ動く空で展開するすべてを完全に把握することは決してできないことを意味します。ギャップや不確実性が生じるでしょう。そして最終的にはその予測を打ち破るでしょう。

「サムネイルと同じくらいの大きさの文字通りの風の渦が、後で影響を与える可能性があります」とジャド氏は言いました。 「その小さな不確実性さえも連鎖的に高まり、2～3週間後には予測が不可能になるでしょう。」

「ある意味、衝撃的だ」と彼は付け加えた。

これは一般に「バタフライ効果」と呼ばれており、蝶が繊細な羽ばたきをして大気中の出来事の連鎖を開始することにちなんで付けられています。マサチューセッツ工科大学（MIT）の大気科学者ケリー・エマニュエル氏は、「人々はこれが比喩だと考えている」と語る。 "そうではありません。それは本当だよ。」

なぜ、暖かく晴れた日（寒くて安定した夜よりも大気が本質的によりダイナミックで不安定なとき）には、あなたも外で腕を振って、大気中の出来事の経過を変える大気の変化を引き起こす可能性があるのです。 「誰もがさまざまなタイミングで混乱に貢献している」と、別々に発見したエマニュエル氏は語った。毎日の天気予報の限界は2週間程度(新しいタブで開きます)。 （「その数字を正確に知っているふりをする人は誰もいない」とエマニュエルは指摘した。）

日々の気象現象（現時点では約 1 週間先まで予測可能）をより正確に予測する科学者の現在の能力は確実に向上する可能性があります。それは魅力的な科学です(新しいタブで開きます)。しかし、混乱は常に 2 週間ほど続きます。この奇妙な制限を実証するために、Judt は何千ものプロセッサを採用しました。シャイアン スーパーコンピューター(新しいタブで開きます)ワイオミング州で、複雑で進化する地球の大気の最先端のシミュレーションを作成します。彼は 20 日間の 2 つのシミュレーションを実行しました。1 つは過去の 10 月の日に実際に観測されたもので、もう 1 つは同じ日に天候を「ほんのわずか」変化させて人工的に作成したものです。雷雨などの小規模な現象が数時間以内にさまざまな場所で発生しました。 6日後、直径約160マイルから1,000マイルにわたる大きな気象パターン（高気圧と低気圧のような）がさまざまな場所に現れました。 2週間ちょっと経つと、2つの雰囲気は全く似なくなってきました。

スーパーコンピューターの中で、カオスが頭をもたげ、そして伝播していった。

文字通り、サムネイルと同じくらいの大きな風の渦が、後で影響を与える可能性があります。

ファルコ・ジャッド、国立大気研究センター

カオスを研究するノースウェスタン大学の物理学者アディルソン・モッター氏は、「コンピューターがどれだけ速くなったのか、どれだけ完璧に近づいたかは関係ない」と語る。デジタルコンピューターが現実世界の詳細をすべて説明できるようになることは決してないだろう、と彼は言う。ほんのわずかな不一致や丸め誤差によって混乱が発生します。

この技術的限界は、あらゆる物体が移動できる速度の限界である光速（時速6億70,616,629マイル）に（どういうわけか）近づく可能性のある宇宙船を建造することに似ています。 「私たちは光の速度を超えることはできないことを知っています」とジャド氏は語った。 「たとえ未来のテクノロジーを持っていても、より速く移動できる宇宙船を作ることはできません。」

したがって、カオスは私たちの存在を決定づける、変えることのできない部分なのです。 「カオスの発見は、20世紀で3番目に偉大な発見とみなされている」とエマニュエル氏は述べ、アインシュタインの発見に次ぐと述べた。一般相対性理論(新しいタブで開きます)そして量子論(新しいタブで開きます)。

Dデイの天気予報にはコンピューターという強力な武器が欠けていた。

戦争が終わってすぐの 1950 年に、気象学者たちは初めて天気予報をした(新しいタブで開きます)巨大なコンピューター上で。機械は1,500平方フィートの部屋(新しいタブで開きます)。今日、天気予報は、はるかに高度な気象のコンピュータ シミュレーションを使用して作成されています。これらのシミュレーションは混乱を鎮めることを目的としています。

「私はバタフライ効果を抑制することについて話すのが好きです」と物理学者であり、欧州中期予報センターの元主任科学者であるロベルト・ブイッツァ氏は語った。

大気に関する私たちの情報は本質的に不完全であるため、あらゆる予報は混乱を和らげる必要があります。欧州中期天気予報センターの研究部門副所長ピーター・バウアー氏は、「私たちは地球システムが根本的にカオスであるという概念を全面的に受け入れている」と語った。 「状況を完全に観察したりシミュレーションしたりすることは決してありません。」

それでも、今日の天気予報を行うために、気象学者は大気の温度、気圧、風などに関する何百万もの観測結果をコンピューター シミュレーションに組み込んでいます。米国では、2 億 1,000 万件以上の気象観測(新しいタブで開きます)気象観測所、レーダー、衛星、気象観測気球、ブイ、船舶などからの情報が毎日コンピューター モデルに集められます。重要なのは、気象学者は予測ごとに多くのシミュレーション (おそらく数十回) を実行しますが、実行のたびに未知の気象条件や観測値のギャップをわずかに変更します。最終的な予測は将来の範囲ですが、シミュレーションがほぼ一致するパターンが現れます。この範囲は予測です。

「これが合理的な予測を得る唯一の方法です」とオークリッジ国立研究所の計算科学工学部門の部門ディレクター、キャサリン・エヴァンス氏は言う。

良い例は、ハリケーンが向かう可能性のある進路を示す国立気象局のハリケーン コーンです。気象庁は、ハリケーンが特定の軌道で特定の場所に向かうことを決して示しません。それは決して答えが一つではないからです。そんなはずはない。 「我々には決して分からない答え天気に合わせて、常に」とエバンス氏は強調した。 「大気はまさに非常に複雑なシステムです。」しかし、この一連の考えられるシナリオは、多くの場合、数日前に何が起こるかをよく表しています。 「警告されるでしょう」とバウアー氏は言った。

大気の観測が大幅に改善され（特に衛星が数千マイル上空から渦巻く大気を観測できるようになったことで）高速コンピューターのおかげで、予報コミュニティは過去 30 年間、天気予報を 10 年あたり約 1 日延長してきました。バウアー氏はこれを「途方もない」と称した偉業だ。

しかし、人類がどれだけ先の未来まで確実に天気を予測できるようになるのか、あるいは 2 週間の境界に近づくのかどうかも不明です。 MITのエマニュエル氏によると、現在は1週間の制限のあたりで推移しているという。どこまで行けるでしょうか？

理論上の限界は、存在しないテクノロジーでのみ達成できます。

ファルコ・ジャッド、国立大気研究センター

おそらくさらに 2 ～ 3 日先、あるいはさらにその先の未来を見るには、大気観測の大幅な改善とコンピューティングの強化が必要になります。これは簡単ではありません。すでに、スーパーコンピューティングや高度な衛星観測があっても、予測可能性の向上の進歩はほぼ停滞しています。 「過去5～7年で景気は大幅に減速した」とジャド氏は述べ、これは混乱を制御することがいかに難しいかを示唆していると指摘した。一方、2週間の境界に近づくことは理論的には可能かもしれないが、現実的には問題外だ。これには、1兆倍の計算能力と大気のあらゆるミリメートルの観測が必要な偉業だとジャド氏は説明した。

「理論上の限界は、存在しない技術でのみ達成可能です」とジャド氏は言う。

将来のコンピューターに、世界で何が起こっているのかについて、信じられないほど正確な情報が与えられなければ――異なる太平洋で渦巻く風、遠く離れたニューメキシコの砂漠に降る短時間の豪雨、海の上を急降下するペリカンによって作られる空気の揺れなど。 — シミュレーションが時間の経過とともに深くなるにつれて、予測は必然的に狂います。すべては混沌に戻ります。 「どこかで小さな間違いを犯すとすぐに、その間違いは大きくなり、伝播してしまいます」とブイザ氏は言います。

そしてその予測は外れます。

第二次世界大戦中のアメリカ陸軍航空隊の気象学者エドワード・ローレンツは、戦後の混乱を発見します。

ローレンツは気象に興味を持つMITの科学者になりました。そこで彼は初期のコンピューターを使用しました (ドレッサーのサイズ(新しいタブで開きます)）天気予報を研究する。 1961 年、ローレンツは、将来 2 か月間の天気をシミュレートする単純な気象モデルを実行しました。シミュレーションが終了した後、彼は再び数値を入力し、同じ気象シミュレーションの実行を再開しました。あるいはそう彼は思った。機械が方程式を計算している間、ローレンツはコーヒーを飲みに外に出ました。 1 時間後に戻ってきたとき、コンピュータが前回の実行とは大きく異なる数値 (または天気予報) を吐き出していたことに気づきました。どうしてこんなことになるのでしょうか？ローレンツは、まったく同じ数値 (または天気の初期状態) を入力していなかったことに気づきました。彼は、1000 分の 1 の丸め誤差(新しいタブで開きます)。小さなエラーです。しかし、これらの小さなエラーがすべてを変えました。 「それらはソリューションを支配するまで着実に増幅していました。」ローレンツは書いた(新しいタブで開きます)。

この偶然のコンピューター実験は、条件のほんのわずかな違いが拡大し、最終的には大きく異なる結果を生み出すことを証明しました。 「カオスの理解はコンピューターによって促進されました」とカオスを研究する物理学者モッター氏は言う。もしアイザック・ニュートン卿が、進化する物理世界のアルゴリズムを解析できるコンピューターを持っていたら、彼もカオスの潜在力に気づいていたかもしれない、とモッター氏は語った。

しかし、混沌は、私たちが未来を見つめることができる範囲を制限する一方で、同時に大きな自由をもたらします。カオスは、私たちの人生が不変の出来事の流れによって決定されたり、拘束されたりしないことを示す強力な証拠です。言い換えれば、あなたの運命は予測できないということです。

しかし、この解放的な考え方は、18 世紀になってから広く受け入れられるようになりました。多大な影響力を持つ数学者であり哲学者であるルネ・デカルトは、デカルト宇宙の普及につながるアイデアを定式化しました。すべては決定されており、機械的法則に従います(新しいタブで開きます)。つまり、すべてが時計仕掛けだったのだ。

「私たちは時計じかけの宇宙に住んでいるという憶測が広まっていました」とMITのエマニュエル氏は言う。しかし、2つの発見が、あらかじめ決められた現実という概念を打ち砕いた、と彼は指摘した。それは、ローレンツのカオスの発見と、原子の正確な位置（「量子的不確実性」）は決して確実ではないという啓示との融合である。これは、すべて、そして将来の経過を完全に知ることはできないことを示しました。 「これは時計じかけの世界の棺に最後の釘を刺すものだ」とエマニュエル氏は語った。

「デカルト宇宙の死は、非常に大きな解放をもたらします」と彼は付け加えた。 「時計仕掛けの世界に住みたい人がいるでしょうか？自由意志なんてないんです。すべてはあらかじめ決められているのです。」

したがって、混沌と不確実性が渦巻く地球にとって、天気予報の限界はありがたいことだ。少なくとも、代替案よりははるかに優れています。

「ならば私たちは自由意志を心から信じなければなりません。」ローレンツは1993年にこう書いた(新しいタブで開きます)、何十年にもわたってカオスの影響について熟考した後。 「もし自由意志が現実であるなら、私たちは正しい選択をしたことになるでしょう。そうでないとしても、私たちは間違った選択をしたわけではありません。なぜなら、私たちは自由意志を持たず、まったく選択をしていないことになるからです。」

• 作者

  マーク・カウフマン

• 編集者

  ブリタニー・レヴィン・ベックマン

• トップ画像

  NASA