Льюис Ричардсон

Льюис Фрай Ричардсон (англ. Lewis Fry Richardson; 11 октября 1881, Ньюкасл-апон-Тайн — 30 сентября 1953, Килмун, Шотландия) — британский математик, физик, метеоролог и психолог, пионер в области математического моделирования. Известен своими новаторскими работами в нескольких, на первый взгляд, не связанных между собой областях: численном прогнозировании погоды, изучении турбулентности, математической теории войн и конфликтов, а также в психологии (измерение цветового зрения). Ричардсон считается одним из основоположников современной вычислительной гидродинамики и количественного подхода к изучению международных отношений.

Биография

Ранние годы и образование

Льюис Ричардсон родился в семье квакеров. Его отец, Дэвид Ричардсон, был преуспевающим производителем кожи. Семья придерживалась строгих пацифистских убеждений, что впоследствии оказало значительное влияние на научные интересы Льюиса. Он получил образование в школе принца Уэльского в Ньюкасле и в Бутэмской школе в Йорке. В 1900 году поступил в Королевский колледж Кембриджского университета, где изучал математику и физику. В 1903 году окончил его с отличием.

Научная карьера

После окончания университета Ричардсон работал в различных учреждениях, включая Национальную физическую лабораторию, Метеорологическую службу Великобритании, а также преподавал в колледжах. В 1913 году он был назначен суперинтендантом Эскдалемюрской обсерватории, где занимался изучением атмосферных явлений.

С началом Первой мировой войны Ричардсон, будучи убеждённым пацифистом, отказался от военной службы. Он служил водителем санитарной машины во Франции в составе Друзейской службы помощи (организации квакеров). Этот опыт, по его собственному признанию, подтолкнул его к математическому анализу причин и динамики вооружённых конфликтов.

После войны Ричардсон продолжил научную работу. В 1920 году он стал директором физической лаборатории в Вестминстерском педагогическом колледже. В 1922 году вышла его знаковая книга «Прогнозирование погоды с помощью численного процесса». В 1929 году он ушёл с академической должности, чтобы полностью посвятить себя исследованиям, финансируемым за счёт личных средств и грантов. В 1940 году вышел на пенсию, но продолжал активную научную деятельность до самой смерти.

Вклад в науку

Численное прогнозирование погоды

Ричардсон первым предложил метод численного решения уравнений гидродинамики для прогноза погоды. В своей книге 1922 года он описал процесс, который сегодня называется «численным прогнозированием погоды» (NWP). Он разбил атмосферу на сетку и попытался вручную рассчитать изменения давления и ветра для одной точки в Европе. Однако из-за огромного объёма вычислений и отсутствия вычислительной техники его расчёты дали нереалистичный результат (огромный скачок давления), что на десятилетия дискредитировало саму идею. Позже было установлено, что ошибка была вызвана несовершенством исходных данных, а не метода. Ричардсон предвидел, что для практического прогноза потребуется «фабрика погоды», состоящая из 64 000 человек-вычислителей. Его идеи были реализованы лишь с появлением электронных компьютеров в 1950-х годах.

Турбулентность

В физике Ричардсон внёс фундаментальный вклад в понимание турбулентности. Он предложил концепцию «каскада энергии» в турбулентном потоке: крупные вихри распадаются на более мелкие, передавая им свою энергию, пока на самых малых масштабах энергия не рассеивается в виде тепла. Этот процесс известен как «каскад Ричардсона». Ему также принадлежит известное стихотворное описание турбулентности:

«Большие вихри питаются малыми,

Малые — от больших получают силу,

И так они, дробясь, бегут по свету,

Пока не станут слишком малы, чтобы быть заметны».

Математическая теория войн

Ричардсон считается основателем количественного подхода к изучению конфликтов. Он собрал и проанализировал огромные массивы статистических данных о войнах, вооружениях и гонке вооружений. Его главная идея заключалась в том, что динамика конфликтов может быть описана системами дифференциальных уравнений.

Модель гонки вооружений

Наиболее известна его модель гонки вооружений между двумя странами (или блоками). Она описывается двумя простыми уравнениями:

• dx/dt = ay — mx + g
• dy/dt = bx — ny + h

Где x и y — уровни вооружений двух стран, a и b — коэффициенты «страха» (стимул к вооружению в ответ на вооружение противника), m и n — коэффициенты «усталости» (экономическая нагрузка от вооружений), а g и h — «обиды» (постоянные факторы, толкающие к вооружению). Эта модель, несмотря на свою простоту, позволяла качественно описать сценарии: стабильная гонка вооружений, выход на равновесие или, при определённых параметрах, неограниченная эскалация, ведущая к войне. Ричардсон применил эту модель для анализа гонки вооружений перед Первой мировой войной.

Статистика войн

Ричардсон также проанализировал статистику «смертельных конфликтов» (квартилей) различного масштаба — от драк до мировых войн. Он обнаружил, что распределение конфликтов по числу жертв подчиняется степенному закону (закону Ципфа), что указывает на отсутствие «типичного» масштаба войны. Этот вывод стал важным вкладом в клиодинамику.

Психология и другие области

В области психологии Ричардсон известен своими исследованиями цветового зрения. Он разработал шкалу для измерения цветовой слепоты и провёл широкомасштабные обследования населения. Он также занимался изучением ветра, диффузии и математической теорией процесса принятия решений.

Критика и наследие

При жизни многие идеи Ричардсона были восприняты скептически. Его метод прогноза погоды считался практически бесполезным из-за вычислительной сложности, а математические модели войн — чрезмерным упрощением сложной социальной реальности. Критики отмечали, что его модель гонки вооружений игнорирует идеологические, культурные и политические факторы, а также внутреннюю политику государств.

Однако с развитием вычислительной техники и появлением теории хаоса его вклад был переоценён. Сегодня Ричардсон признан одним из пионеров вычислительной гидродинамики, а его работы по математическому моделированию конфликтов заложили основу для таких дисциплин, как клиодинамика и математическая история. В 1960 году был учреждён «Приз Льюиса Ричардсона» (Lewis Fry Richardson Medal), присуждаемый Европейским союзом наук о Земле за выдающиеся достижения в области нелинейных геофизических процессов.

Интересные факты

• Ричардсон был глубоко религиозным человеком и пацифистом. Он считал, что его научные исследования должны служить делу мира.
• Он был одним из первых, кто применил фрактальную геометрию для описания береговых линий, предвосхитив работы Бенуа Мандельброта. Ричардсон обнаружил, что длина береговой линии зависит от масштаба измерения, и вывел эмпирическую зависимость, которая позже была интерпретирована как фрактальная размерность.
• Его книга «Прогнозирование погоды с помощью численного процесса» считается одной из самых цитируемых и одновременно самых непрочитанных книг в метеорологии из-за её сложности и новаторства.

Источники

• Richardson, L. F. (1922). Weather Prediction by Numerical Process. Cambridge University Press.
• Richardson, L. F. (1960). Statistics of Deadly Quarrels. Boxwood Press.
• Richardson, L. F. (1960). Arms and Insecurity: A Mathematical Study of the Causes and Origins of War. Boxwood Press.
• Hunt, J. C. R. (1998). «Lewis Fry Richardson and his contributions to mathematics, meteorology, and models of conflict». Annual Review of Fluid Mechanics, 30(1), 1-28.
• Ashford, O. M. (1985). Prophet or Professor? The Life and Work of Lewis Fry Richardson. Adam Hilger.