חיזוי
חיזוי במדע

עם התפתחות המהפכה המדעית החלו להופיע תחזיות מדעיות בהתבסס על חוקי מדע ותאוריות מדעיות. כוח החיזוי של תאוריה הפך לאחד מסימני ההיכר הבולטים של השיטה המדעית. יכולת חיזוי, הוא כוחה של תאוריה מדעית, או חוק מדעי, ליצור תחזיות שניתנות לבדיקה. יכולת זו שונה מכוח ההסבר וכוח התיאור (כאשר תופעות שכבר ידועות מוסברות בדיעבד או מתוארות על ידי תיאוריה נתונה) בכך שהיא מאפשרת מבחן עתידי (פרוספקטיבי) של הבנות תאורטיות.
החשיבות של חיזוי לתאוריה משולבת בדרך בה מבצעים ניסוי מדעי - עורך הניסוי מנסח תחילה את השאלה שהוא רוצה לענות עליה, ומה תהיה תוצאת הניסוי אם התאוריה נכונה. אם התחזית נכונה, הניסוי מאשש את התאוריה ויש לה יותר תמיכה בקרב יותר מדענים. אם תחזית התאוריה לא מתאימה לניסוי ייתכן לכך מספר סיבות - ביניהן ניסוי שבוצע לא נכון, כך שגורם נוסף השפיע על מערכת הניסוי, או בעיה בתאוריה עצמה, דבר שיכול לתיקונה או אף לפסילתה. החוזק של תאוריה ושל ניסוי הוא ביכולת של מעדנים אחרים לשחזר את אותו ניסוי. פעמים רבות הדבר מוביל בהמשך גם לפיתוחים טכנולוגיים המבוססים על התאוריה. כוח חיזוי של תאוריה יכול להמדד לא רק מול ניסויים אלה גם מול תצפיות חדשות שטרם בוצעו, ובכך לתת כוח חיזוי לגבי העבר. לדוגמה תצפיות אסטרונמיות אוששו תאוריות באסטרונמיה ובפיזיקה, וכך גם דגימות קרקע מהירח. תצפיות על מיני יצורים חיים שהתגלו לבני האדם אוששו תאוריות אבולוציוניות.
אחד מתחומי החיזוי הראשונים היה חיזוי בתחום האסטרונומיה. עשרות אלפי שנים לפני השיטה המדעית אנשים מתרבויות עתיקות ניסו לדייק ככל האפשר במדידת מסלולי השמש והירח, הן מסיבות טקסיות והן מסיבות הנוגעות לקשר בין המחזור השמשי לבין עונות השנה, נדידת בעלי חיים וגידולים חקלאיים. חשיבות נודעה גם ליכולת חיזוי של ליקוי ירח וליקוי חמה. התאוריה של תלמי שלטה בכיפה במשך כ-1500 שנה בזכות היכולת שלה לתת ניבוי טוב למדי למסלולי הכוכבים, אולם היה הייתה מסורבלת. החל מ-1514 החלה המהפכה הקופרניקאית שהסבירה את מסלולי כוכבי הלכת, מסלול כדור הארץ ומסלול הירח באמצעות המודל ההליוצנטרי שהיה פשוט יותר. בתחילה יכולת הניבוי של תאוריה זו לא היה משופר. עם הזמן התאוריה זכתה לכמה הצלחות, בין היתר בזכות יכולת מדידה טובה יותר שהתפתחה בעקבות התחלת שימוש בטלסקופים. גלילאו חיזק את התמיכה בתאוריה על ידי כך שגילה את הירחים הגליליאניים, דבר שהדגים כי בניגוד למקובל לחשוב עד אז - היו ירחים נוספים שהקיפו כוכבי לכת אחרים. המדידות המדויקות של טיכו ברהה יחד עם הניתוח המתמטי של יוהנס קפלר שפיתח את חוקי קפלר הוביל לשיפר משמעותי ביכולת חיזוי מסלולי כוכבי הלכת והירחים.
כאשר יכולת המדידה השתכללה יותר בעקבות פיתוח טלסקופים חזקים יותר, תאוריות נוספות החלו לספק ניבוים. מדידה של מהירות האור אפשרה לאסטרנומים לספק תחזית מדויקת יותר של מועד הופעתו של צדק.
המהפכה הקופרניקאית, הניבה מהפכה נוספת והיא פיזיקה ניוטונית. בניגוד לתאוריה הקודמת לפיה כל חפץ שואף לעצור, ניוטון טען כי גוף נוטה לשמור על מהירות קבועה וכי האטה נובעת מחיכוך. בנוסף הוא סיפק נוסחות מדעיות שסיפקו תחזיות לתנועה של גופים רבים - החל מכוכבי לכת ועד כדורי תותח. משוואות אלה אפשרו למדענים רבים לבצע ניסויים רבים כדי לאושש את התאוריה במגוון גדול של מצבים, וכן להמשיך ולחקור תופעות במכניקה קלאסית. להתפתחות התאוריה היו השלכות רבות על פיתוח מכונות שונות וחישובי הנדסה שמבוססות עד היום בעיקר על התאוריה הניוטונית (כל עוד מהירות העצמים נמוכה וניתן להזניח השפעות של תורת היחסות).
התפתחות יכולת ההסבר וביצוע ניסויים השתכללה במיוחד בשדה פיזיקה ונגעה לתחומי מחקר רבים בו. ניסויים תאוריות ותחזיות הובילו להתפתחויות רבות בתחומים כמו אופטיקה. בהמשך התברר כי חשמל ומגנטיות הם ביטוי של כוח מאוחד - אלקטרומגנטיות.
דוגמה נוספת לכוח ניבוי היא התחזית של תורת היחסות הכללית של איינשטיין לפיה נתיב האור יתכופף בנוכחות שדה כבידה חזק. תחזית זו אומתה בניסוי על ידי משלחת לסוברל בברזיל ולאי פרינסיפה באוקיינוס האטלנטי כדי למדוד את מיקומי הכוכבים במהלך ליקוי החמה ב-29 במאי 1919, כאשר נראה היה שהתצפיות שערך האסטרופיזיקאי ארתור אדינגטון מאשרות את תחזיותיו של איינשטיין.
חיזוי הוא קל יותר במערכות פיזיקליות פשוטות המערבות מספר קטן של גופים כמו מסלול כוכב לכת בודד סביב השמש, או מספר קטן של גופים. כוח החיזוי הופך מרוכב יותר כאשר יש מספר גדול של גופים. בעיית שלושת הגופים והקושי לחזות את מסלולי כוכבי הלכת הובילה בהמשך לפיתוח מושגים כמו מושכים ודיון על נקודות שיווי משקל שהוביל לפיתוח תאוריות כאוס.
חיזוי מסוג זה הוא בעל הסתברות גבוה כאשר ידועים היטב התנאים והחוקים המשפיעים על אירוע מסוים, כגון ליקוי חמה או ליקוי ירח. חיזוי זה ודאי פחות כאשר הידע על אודות הפרטים המשפיעים על אירוע מסוים אינם ידועים בשלמותם, עקב בעיות מדידה, עקב מורכבות רבה של המערכת ועקב ריבוי חלקים קלה. לעיתים מדענים מוותרים על חיזוי מצב מדויק של תחום מסוים אבל בכל זאת מסוגלים לספק תחזית מדויקת בהקשר אחד. לדוגמה בתחום התרמודינמיקה, מדענים מבינים כיום כי חוםנובע משינוי במהירות הממוצעת של תנועת מולקולות. בעוד שבלתי אפשרי למדוד ולחזות את המיקרו מצבים של מאות מיליארדי מולקולות בכוס תה חמה, מדענים בכל זאת יכולים לתת תחזית מדויקת למדי ביחס לכוס ולחזות כי חומה של הכוס ישתווה עם הזמן לטמפרטורת החדר. משוואות מדויקות יותר פותחו ביחס למדידת חום ולחץ של נוזלים וגזים כמו משוואת הגז האידיאלי. חוקי התרמודינמיקה אפשרו לחזות התנהגות של מנועים חדשים ולשכלל את יעילותם. ההסבר לכוח ההסבר של תרמודינמיקה נעוץ בכך שמבחינה סטטיסטית בחלק מהתופעות גורם אחד מבטל את חשיבות ההשפעה של גורם אחר. כך למרות שאנו לא יודעים את המהירות המדויקת של מהירות כל מולקולה, יכולת ההיסק על המהירות הממוצעת של מולקולות יכולה לתת תחזיות טובות למדי בהקשרים של אנרגיה חום וניצולת.
דוגמה בולטת לקושי לתת חיזוי בסביבה כאוטית ומרובת משתנים היא תחזית מזג האוויר אף כי ידע זה מבוסס על חוקי פיזיקה בסיסיים שהתפתחו בהמשך למטאורולוגיה, יכולת החיזוי של מזג האוויר מוגבלת למספר ימים בודדים. חיזוי ברמת דיוק כזו מעבר ל-10 ימים הוא בגדר בלתי אפשרי. הסיבה היסודית לכך התגלתה על ידי אדוארד לורנץ מחלוצי תורת הכאוס. לורנץ גילה כי יש מערכות, או משוואות שעבורן יש תחומים שבהם שינויים קטנים בתנאים ההתחלתיים יכולים להביא לשינויים גדולים בסופו של דבר. לורנץ הגדיר את המונח כ"אפקט הפרפר". למרות מגבלות אלה, חיזוי מזג אוויר כיום חוסך מיליארדי דולרים עקב היכולת של רשויות ואנשים להתכונן מראש לאירועי מזג אוויר - במיוחד היכולת להתכונן מראש כנגד סופות. כמו כן חיזוי מזג אוויר חשוב לחקלאים, חברות ספנות וחברות תעופה שיכולים להיערך מראש ולהקטין סיכונים.
במקרים אחרים אין כמעט ידע המאפשר חיזוי סביר. למשל, קשה לחזות את המועד של רעידות אדמה לטווח רחוק. עם זאת, בהתבסס על תאוריית טקטוניקת הלוחות מדענים יכולים לחזות מהם האזורים שהם בסיכון גבוה יותר להיפגע מרעידות אדמה כאלה (בקרבת קווי תפר של הלוחות).
חיזוי קיים גם בתחום הביולוגיה. רוב מיני היצורים החיים אינם ידועים לאדם והם מתגלים בהדרגה למדענים. תורת האבולוציה חזתה נכונה קיום של מספר מינים שנראו הגיוניים לפי התאוריה. צ'ארלס דרווין השתמש בידע שלו על אבולוציה על ידי ברירה טבעית וחזה כי מכיוון שקיים צמח (Angraecum sesquipedale) עם שלוחה ארוכה בפרחיו, חייבת להתקיים גם חיה משלימה עם חדק באור30 ס"מ, שתשתמש בחדק כדי לאכול ותוך כדי כך תאביק אותו. עשרים שנה לאחר מותו, נמצאה צורה של עש נץ (Xanthopan morganii) שעשה זאת בדיוק.
חברות תרופות מנסות לחזות מראש השתנות של חיידקים או נגיפים כדי לתת להן מענה. נגיף השפעת לדוגמה משתנה עם הזמן למספר רב של מוטציות בעלות צורות שונות, דבר שמקשה על מערכת החיסון לפתח מולו עמידות. חברות תרופות צריכות לנסות לחזות מספר חודשים מראש אילו זנים של וירוס יהיו נפוצים בחורף הקרוב שכן תהליך הייצור של החיסון לוקח זמן.
חיזוי התנהגות אנושית אינו מבוסס באופן ישיר על חוקי הפיזיקה, אלא על עקרונות מתחום מדעי החברה, כגון פסיכולוגיה – לחיזוי התנהגות של יחיד, או סוציולוגיה – לחיזוי התנהגות של קבוצה. חיזוי מסוג זה מתקיים בתחומים רבים, כמו הערכות לגבי התלקחות מלחמה במודיעין צבאי, שער מטבע ושוקי ניירות ערך בכלכלה, או שינויים בהרכב האוכלוסייה בדמוגרפיה. קושי נוסף על חיזוי של התנהגות אנושית מכונה "הביקורת של לוקאס" הוא ציין כי בני האדם בניגוד לאטומים, יכולים לקרוא את התחזית של תאוריה ובכך לגרום לפעול למימושה או להפרכתה - לדוגמה אם קיימת תחזית אמינה כי תהליך טבעי מסוים יגרום לייקור הזהב עוד שנה, סוחרים יקנו מוצרים פיננסים הקשורים לזהב ויגרמו לעליית מחירו כבר היום.
קיימים מספר הבדלים בין מאפייני המדידה בתחומי דעת שונים. למשל, במדעים המדויקים מדידה היא מציאת גודלו של מאפיין ניתן לתצפית של עצם נתון, והבעת גודל זה ביחידות המידה המתאימות. לעריכת המדידה נעזרים לרוב במכשיר מדידה מתאים. במדעי החברה המושגים מדידה והערכה מתייחסים להתאמה של ערכים מספריים לתכונות או לגדלים על פי כללים.
עם זאת, בכל התחומים, מטרת המדידה היא איסוף המידע הרלוונטי ברמת הדיוק והאמינות הגבוהות ביותר. ישנם מספר גורמים אשר יכולים להשפיע על איכות המדידה והיכולת שלה להגשים מטרה זו. דיוק ונכונות המדידה מתייחסים למידת הקרבה של תוצאות המדידה לערך הממשי. טעויות מדידה יכולות גם לנבוע ממכשיר המדידה או משגיאות של המודד.