Коротко

Новости

Подробно

Фото: Xphi Chnm Phechr Nùn / EyeEm / Getty Images

Наглядная наука

220 лет назад Уильям Плейфэр ввел в научный обиход круговую диаграмму

от

За четверть века до этого он же предложил изображать массивы данных в виде линейчатых диаграмм и гистограмм. А после того как Плейфэр в своем Statistical Breviary представил данные в виде круговых диаграмм, сложился полный набор инструментов визуализации данных в науке (рисунок, чертеж, карта, таймлайн, график в системе координат, диаграмма), которым ученые пользуются и поныне, добавив к нему в конце позапрошлого века фотографию, а в конце прошлого века — компьютерную графику.


Наука каменного века


Наверное, было бы неправильным жалеть ученых прошлого, которые были ограничены в средствах визуализации данных в процессе их исследования и при передаче данных другим членам научного сообщества и потомкам. Даже в каменном веке человек, исследовавший окружавший его мир, вполне свободно мог нацарапать на стенке пещеры или просто на земле формулы, мнемонические пиктограммы, рисунки, схемы, помогавшие ему строить довольно сложные логические цепочки. Другое дело, что такие следы научной деятельности не сохранились, а те немногие, что дошли до нас, мы склонны считать выдающимся произведением искусства палеолита, хотя это может быть черновик или просто хозяйственная запись.

В эпоху неолита появляются иллюстрации природных явлений вполне современного вида. Например, на трехметровой фреске, которая была обнаружена при раскопках неолитического города Чатал-Гуюк в нынешней турецкой провинции Коньо и датируется 6600 годом до н. э., на переднем плане — схематическое изображение городской планировки с домами и кварталами, а на заднем плане виден взрыв вулкана Хасандаг (в 140 км от города). Над вершиной вулкана нарисованы какие-то схематические линии, о смысле которых нам остается только догадываться. Карта, кстати, сориентирована неолитическими вулканологами по-современному: север на ней наверху, юг — внизу. Любой может ее посмотреть на PLOS One.

Визуализация науки в античные времена в начале Нового времени


В более поздние времена, когда древнейшие науки, носившие исключительно прикладной характер — геометрия (тогда занимавшаяся тем, что заложено в ее названии в буквальном смысле,— землемерием), география, астрономия, история, теология (включая футурологию, то есть науку предсказаний),— уже сформировались и появились люди, занимавшиеся ими профессионально, особых проблем с наглядностью данных этих наук тоже не было. Особенно когда появились первые писчие технологии — на глиняных, восковых табличках, папирусе, пергаменте. А исторические сюжеты запечатлевались даже в трехмерном изображении — например, на барельефах гробниц древнеегипетских фараонов.

Первая карта мира была составлена в VI веке до н. э., довольно полная карта звездного неба — во II веке до н. э. А во II веке н. э. появились и в рукописных «тиражах» разошлись два фундаментальных атласа Птолемея — звездного неба и земного шара с сеткой широт и долгот, позволявшие определять точные географические координаты того или иного пункта. При этом Птолемей ничего нового туда практически не привнес, он только обобщил то, что было известно астрономам и географам ранее.

В эпоху Возрождения рисунок в научном трактате уже был не редкостью. Достаточно вспомнить Леонардо да Винчи, в рукописях которого чертежи и схемы занимали едва ли больше места, чем текст. Кстати, он первым использовал прямоугольные координаты для визуализации нарастания скорости при свободном падении тела. А современная система координат в зачаточном виде появилась в XIV веке в трудах французского аббата-математика Николя Орезмского, в XVII веке Пьер Ферма и Рене Декарт с ее помощью визуализировали математические функции.

К XVI веку уже появились инструменты для точного наблюдения и измерения физических величин, а в XVII веке появляется аналитическая геометрия, теория ошибок измерения, теория вероятностей, предпринимаются первые попытки анализа данных демографической статистики и «политической арифметики». Рождение «статистического мышления» сопровождалось ростом визуального мышления: появились логарифмическая шкала и номограммы для облегчения вычислений, графики использовались для иллюстрации математических доказательств и функций.

Анимация мировой истории


В следующем XVIII веке в географии все чаще использовались тематические и контурные карты, на которые наносились течения, преобладающие ветры, изографические линии, соединяющие точки с одинаковыми значениями глубин, магнитных склонений, высот и т. д. В биологии и медицине новые виды растений и животных, новые анатомические открытия сопровождались рисунками и схемами. Физики и химики тоже иллюстрировали свои опыты и расчеты, порой придумывая новые приемы для их визуализации (например, Ньютон использовал полярные координаты).

В середине века была предпринята первая попытка анимации научного изображения. Жак Барбе-Дюбур заказал 35 гравюр, поэтапно изображавших библейскую историю мира от Адама и Евы до современной ему эпохи просвещения, своего рода таймлайн, где вначале были «патриархи», «потомки Каина», знаменательные события и известные люди, а после Всемирного потопа появляются страны, начиная с Египта и Китая, и география с историей вытесняют ветхозаветные категории. Склеенные в рулон длиной 6,5 м (6500 лет библейской истории) гравюры прокручивались между валиками «хронографа», как пленка диафильма, позволяя за несколько минут бегло познакомиться с историей человечества или более внимательно рассматривать каждый кадр этого «диафильма». В поле экрана хронографа Барбе-Дюбура кроме имен и географических карт были символы-иконки, указывавшие на профессии, таланты, исторических личностей на его карте, а также ключевые события в их жизни.

Подробный и, наверное, самый исчерпывающий на сегодня таймлайн визуализации науки от древнейших времен до наших дней можно посмотреть в работе Майкла Френдли и Дэниела Денниса «Milestones in the history of thematic cartography, statistical graphics, and data visualization», 2006; она есть в свободном доступе в интернете.

Диаграммы Плейфэра


По сути, к концу XVIII века ученые уже пользовались всеми средствами визуализации своих данных, какими они пользуются и сейчас, даже механическое видео было. Не было только одного — диаграмм. Их придумал англичанин Уильям Плейфэр, который в молодости работал чертежником у Джеймса Уатта, а в зрелом возрасте увлекся статистикой и политэкономией. Первой в его Commercial and Political Atlas появилась в 1786 году так называемая линейчатая диаграмма. Она была очень простой. На графике торгового баланса Англии с Данией и Норвегией за период 1700–1780 годов были две кривые — экспорта и импорта (в денежном выражении). С 1700 по 1754 год кривая импорта в Англию шла на графике выше кривой английского экспорта в эти страны, потом они пересеклись, и кривая английского экспорта далее шла на графике выше кривой импорта.

Вроде все и так было ясно. Но Плейфэр закрасил промежутки между кривыми английского импорта и экспорта до точки их пересечения и после нее, и закрашенная площадь совершенно очевидно показала, что за последние 25 лет прибыли английской торговли с Норвегией и Данией не только покрыли убытки торговли с этими странами за предыдущие 55 лет, но и позволили Англии заметно нарастить положительное сальдо данной международной торговли.

Пять лет спустя, в 1786 году, в очередном издании Commercial and Political Atlas Плейфэра появилась первая столбчатая диаграмма экспорта и импорта Англии в 1781 году в 16 европейских стран и в Америку. Столбики у Плейфэра были лежачие (расположенные оси ординат), а не стоячие, как обычно делают сейчас, но это не снижало наглядности картинки. Кстати, в том году Россия с большим отрывом лидировала среди других стран по английскому импорту из нее (вероятно, и тогда он был сырьевой — лес, пенька, мед и т. п.), а английский экспорт в Россию был весьма незначительный, на уровне Германии.

И наконец, на рубеже XVIII и XIX веков Плейфэр в своем Statistical Breviary («Статистическом бревиарии» — справочнике по демографии и экономике европейских стран) впервые публикует круговые диаграммы. Во-первых, это были чисто круговые диаграммы населения и доходов основных стран Европы, где читатель мог сравнить размеры кружков численности населения и доходов разных стран. В этом плане такие диаграммы ничем не отличались от столбчатых диаграмм: там — высота столбиков (или длина, если он лежачий), здесь — диаметр кружков. Дополнительная информация возникала, если наложить друг на друга кружки численности населения и доходов населения каждой страны: становилось видно, где живут богаче, а где — беднее.

Там же, в Statistical Breviary, была опубликована первая секторная диаграмма — распределение площади Турецкой империи по материкам. Было прекрасно видно, что 1/6 Турции тогда была в Африке, примерно четверть — в Европе, остальное — в Азии. На этом весь набор приемов визуализации в науке (рисунок, чертеж, карта, таймлайн, график в системе координат, диаграмма) был исчерпан. Дальше шло лишь их совершенствование, особенно бурно оно шло во второй половине XIX века, благо условия к тому были не только научные.

По всей Европе и в США расцвели государственные статистические управления, растущая важность цифровой информации для социального планирования, индустриализации, торговли и транспорта ни у кого не вызвала сомнений. Иными словами, деньги на ученых-статистиков лились рекой. Начался «золотой век» графики и тематической картографии с множеством красивых и остроумных инноваций. Полтора века спустя, когда все это назвали инфографикой, компьютерные дизайнеры иногда, сами того не чая, заново изобретают приемы графиков конца позапрошлого века. По большому счету в наше время в инфографике произошла только одна кардинальная новация: она стала подвижной и интерактивной.

Компьютерная визуализация науки


В то же время в конце позапрошлого века появилась научная фотография, а также появилась возможность делать снимки в невидимых человеческим глазом диапазонах волнового спектра, что сильно облегчило жизнь биологам, медикам, астрономам и физикам. Достаточно вспомнить рентгеновские снимки, чтобы оценить масштаб прорыва в научной визуализации. На протяжении всего ХХ века методы научной фотографии, а потом и киносъемки совершенствовались, наглядные примеры того — УЗИ и томография. А ближе к концу века появились новые инструменты визуализации — компьютерные графика и моделирование, и произошел новый прорыв, в первую очередь в физике и молекулярной биологии.

Заодно ожидаемо появилась и новая наука — научная визуализация (scientific visualization, коротко — SciVis). Здесь, правда, есть одна тонкость. Теоретики SciVis предупреждают, что «важно различать научную визуализацию и презентационную графику. Презентационная графика в первую очередь связана с передачей информации и результатов способами, которые легко понять. В научной визуализации мы стремимся понять данные. Однако часто эти два метода переплетаются». Разумеется, переплетаются: ученым тоже надо делать доклады на научных симпозиумах и конференциях. А говоря проще, SciVis работает не только на науку, она сама наука, обслуживающая инфографику любого рода, презентации — в их ряду и научные.

Но вот что интересно: ученые в лаборатории строят многомерные модели сложнейших молекул, однако как только дело доходит до публикации их результатов, они словно возвращаются в XVIII век, в лучшем случае — в XIX век, если в статье есть фотографии. И это не только в заштатных региональных журналах, но и в международных флагманах научных публикаций. Вся наглядность SciVis остается в рамках лаборатории, в лучшем случае показывается коллегам в соцмедиа. А самые интересные картинки и анимации идут на популяризацию науки в интернете, на ТВ и в печатных научно-популярных изданиях.

Что это — дань традиции, чопорность ученых? Не без того, конечно, но скорее такая ситуация, прогнозируют теоретики SciVis, сохранится до тех пор, пока серьезным образом не повысится скорость компьютеров и не снизится стоимость высокопроизводительных рабочих станций.

Ася Петухова


Комментарии
Профиль пользователя