Карлос Мадрид - Мир математики. т.32. Бабочка и ураган. Теория хаоса и глобальное потепление

* * *

В последние годы теория хаоса, нелинейная динамика и науки о сложности в целом играют важную роль в медицине, биологии и смежных областях. Слияние точных и гуманитарных наук всего за несколько лет доказало свою эффективность. До середины XX века медицину и физику, казалось, разделяла непреодолимая стена: единственным применением физики в медицине стало использование радиоволн для диагностики и лечения раковых заболеваний. Однако начиная с 1950-х годов в этой стене, к счастью для всех нас, стали возникать бреши: так, медицинская визуализация и получение изображений внутренних органов стали возможными только благо даря симбиозу математики, физики и медицины.

Теория хаоса также перестала быть наукой об абстрактных закономерностях и в руках специалистов превратилась в мощнейший инструмент. Применение теории хаоса в медицине не позволяет делать прогнозы и решать какие-либо частные задачи — оно скорее позволяет описывать некоторые аспекты поведения сложных биологических систем с помощью определенных «магических чисел», например экспонент Ляпунова, фрактальных размерностей и других. Иными словами, теория хаоса может использоваться при классификации состояний организма, наиболее ценным при этом будет не полученное числовое значение, а переформулирование медицинских задач, переход от наблюдений к моделированию и измерениям. Прекрасным примером этому служат кардиология, электроэнцефалография и магнитоэнцефалография. Через несколько лет исследования хаоса и фракталов в физиологии помогут получить важные показатели, позволяющие понять, что именно происходит в организме в ходе старения или во время болезни. Важнейшее открытие таково: организм здорового человека — сложная хаотическая система, организм больного человека, напротив, является строго упорядоченным.

Различные показатели работы сердца больного (в верхнем ряду) и здорового человека (в нижнем ряду). Периодичность и предсказуемость этих показателей свидетельствует о сердечных заболеваниях, в то время как у здорового человека показатели будут совершенно хаотическими.

С экспериментальной точки зрения эта проблема заключается в том, чтобы на основе временного ряда наблюдаемых или измеренных значений (пульса, ритмов мозговой активности) воссоздать развитие динамической системы (сердца или мозга соответственно) в фазовом пространстве, где мы сможем измерить и рассчитать магические числа хаоса: экспоненты Ляпунова, фрактальные размерности и так далее. Нам на помощь придет хитроумный прием, придуманный Давидом Рюэлем и Флорисом Такенсом: чтобы как-то воссоздать аттрактор системы, рассмотрим исходные значения с некоторым запаздыванием. Если мы имеем последовательность значений x 1, x 2, х 3, х 4 …, то можно образовать множество пар чисел ( х 1, x 2), ( x 2, x 3), ( x 3, x 4). Эти точки определят некоторую траекторию на плоскости. Если мы сгруппируем числа в тройки, получим траекторию в пространстве. Таким образом, динамика нашей системы будет описываться динамикой этого множества точек, и мы сможем вычислить фрактальную размерность системы или ее экспоненты Ляпунова. Будем воссоздавать систему со все большим запаздыванием (то есть будем объединять данные не в пары или тройки, а в четверки, пятерки и так далее). Существует теорема, гласящая: если исходная система периодическая, то ее фрактальная размерность будет возрастать до определенного значения, после чего примет некоторое целое значение (то есть перестанет быть фрактальной, дробной) и будет оставаться неизменной. Если же исходная система хаотическая, то ее фрактальная размерность стабилизируется вблизи некоторого дробного значения и как минимум одна экспонента Ляпунова будет положительной.

Но нужна ли вся эта математика? Да, нужна, нравится вам это или нет. Как это ни парадоксально, простая динамика свидетельствует о заболевании, а сложная (хаотическая) динамика — синоним здоровья. Заболевание предполагает потерю сложности, а рост упорядоченности приближает нас к смерти. Появление упорядоченности сердечного или мозгового ритма у тяжелобольных пациентов — опасный симптом. Если измерить электрические сигналы мозга с помощью электродов, то полученная кривая будет казаться хаотической (непериодической) и фрактальной (то есть обладающей самоподобием). Если мы применим метод Рюэля — Такенса для восстановления аттрактора с запаздыванием, то увидим, что у здоровых пациентов в рассматриваемой системе будут наблюдаться странные аттракторы, у пациентов с заболеваниями головного мозга — квазипериодические циклы.

Наконец, следует отметить, что некоторые органы человека подобны фракталам.

Так, бронхи имеют практически фрактальную структуру со множеством ветвлений. Возможно, происходит это потому, что фракталы прекрасно позволяют перейти от одной размерности к другой в силу своей дробной размерности. Бронхи, имеющие фрактальную размерность, примерно равную двум, — идеальный переход от трехмерного дыхательного горла (его размерность равна 3) к плоскости диффузии (ее размерность равна 2), в ходе которого кислород из воздуха поступает в кровь.

Если ритмы мозговой активности беспорядочны и описывают странный аттрактор (слева), то человек здоров. Если же ритмы мозговой активности становятся периодическими и возникает предельный цикл (справа), это означает, что пациент испытывает приступ эпилепсии.

(источник: Корнелис Ян Стам , «Нелинейный динамический анализ ЭКГ и МЭГ: обзор новой области», журнал Clinical Neurophysiology 116/10, 2005).

* * *

ПОСЛЕДНИЙ РУБЕЖ: КВАНТОВЫЙ ХАОС

Может ли недетерминированное поведение субатомных частиц быть результатом непредсказуемости, которую мы связываем с хаосом? Нет, не может. В теории хаоса рассматриваются нелинейные уравнения, а вся квантовая механика основана на линейном уравнении — волновом уравнении Шрёдингера. Следовательно, квантовый эффект бабочки невозможен, так как уравнения квантовой физики линейны, а для возникновения хаоса необходима нелинейность.

При переходе от классической хаотической системы к соответствующей квантовой хаос исчезает, оставляя след в виде связанных между собой флуктуаций. Изучение этих следов получило название квантовой хаологии, или постмодернистской квантовой механики. Классическая механика является детерминированной и вместе с тем хаотической; квантовая механика, напротив, имеет вероятностную природу и вместе с тем отличается упорядоченностью. Следовательно, квантовая механика избавила нас от проклятия хаоса ценой того, что электроны, фотоны и прочие квантовые частицы кажутся нам безумными.