Герман Хакен - Тайны природы. Синергетика: учение о взаимодействии

Множеству математиков теория Тома так понравилась потому, что она была очень «красива», ведь Том должен был иметь весьма смутные предположения о потенциальном условии. С точки же зрения инженеров и естествоиспытателей теория катастроф во многих — и при этом важнейших — случаях (например для открытых систем) просто бесполезна, так как в этих случаях потенциальное условие вообще не выполняется. Можно доказать, что в открытых системах оно принципиально невыполнимо; иными словами, во всех открытых системах, а также в большинстве закрытых систем, природные процессы протекают в соответствии с совершенно иными, нежели постулируемые теорией катастроф, закономерностями.

Итак, теория катастроф поначалу была принята с восторгом, но затем вдруг подверглась резкой критике. Г. Б. Колата опубликовал на эту тему статью под названием «The Emperor Has No Clothes» — «А король-то голый!».

Название статьи — намек на известную сказку мудрого датского писателя Ханса Кристиана Андерсена (1805-1875). В этой сказке рассказывается о том, как к одному королю явились чужеземцы, утверждавшие, будто они умеют ткать чудесные ткани и шить из них прекрасные наряды, которые обладают волшебным свойством быть невидимыми для глупцов. И вот ловкие ткачи начинают «ткать» — да только ткань при этом никто не видит, хоть и не решается признаться в этом, опасаясь прослыть глупцом. Наконец состоялось большое шествие, в котором принимал участие и сам король в своем новом «платье», и все вокруг дивились и восторгались красотой этого наряда (кстати, эту сказку можно считать вкладом Андерсена в изучение темы «общественное мнение»). Восторги длились до тех пор, пока какой-то мальчишка не выкрикнул: «А король-то голый!»

Атака на теорию катастроф, предпринятая как Г. Б. Колатой, так и X. И. Зуссманом и Р. С. Цалером, вызвала шквал негодования со стороны тех, кто эту теорию применял, что и нашло свое отражение в многочисленных письмах-статьях в журналы, опубликовавшие в свое время статью Ко-латы. Сегодня в основном преобладает сдержанный научный подход, пусть даже поначалу это и не бросается в глаза — мы наблюдаем здесь знакомое нам по фазовым переходам медленное затухание критических флуктуаций. На данный момент в среде ученых все более утверждается мнение — своего рода коллективное осознание — о том, что теория катастроф применима лишь в ограниченной и очень специальной области. Вдобавок ко всему, сам Том отрицает существование флуктуаций. Высказав это мнение на одном из организованных мною симпозиумов по синергетике, Том столкнулся с явным недоумением, возникшим среди физиков; из примеров, приведенных в этой книге, становится совершенно ясно, что флуктуации зачастую играют главную роль во многих синергетических процессах.

Еще одна интересная попытка унификации научного подхода к исследованиям природы была предпринята Ильей Пригожиным, и в основе ее лежали результаты изучения Пригожиным химических и биологических процессов. Пригожин различал при этом два типа структур: такие, что, возникнув, сохраняются и без дальнейшего притока к ним энергии извне (например, кристаллы), и такие, которые продолжают свое существование лишь до тех пор, пока извне поступает энергия, а в некоторых случаях и материя. Примером последнего типа могут служить ячеистые структуры, образующиеся в слое жидкости, постоянно подогреваемом снизу (такие структуры были описаны в четвертой главе). Непрерывно подводимая к жидкости тепловая энергия частично преобразуется в энергию движения

гексагональных ячеек. Структуры же, возникающие в жидкости, достигают стабильного, устойчивого состояния, поскольку движение ячеек сопровождается постоянными потерями энергии вследствие трения; происходит «рассеяние» энергии, или — говоря на языке науки — диссипация энергии. Для обозначения таких структур Пригожин использовал термин «диссипа-тивные структуры».

Образование диссипативных структур должно происходить в соответствии с определенным универсальным принципом. Этот принцип, установленный П. Глансдорфом и И. Пригожиным, описывает, каким образом на микроскопическом уровне диссипативные процессы приводят к росту энтропии, или, иначе, к хаосу. Как показали исследования, проведенные Рольфом Ландауэром и Рональдом Ф. Фоксом, принцип этот, к сожалению, не универсален, и кроме того, не всегда согласуется с так называемой функцией Ляпунова. (Смысл этой функции, кстати, очень легко представить: подобно потенциальному ландшафту, по которому катается шарик, символизирующий состояние системы, функция Ляпунова показывает, стремится ли рассматриваемая система к устойчивому состоянию.) Хотя это обстоятельство, пожалуй, может представлять интерес только для экспертов, можно взглянуть на проблему и с другой стороны: описываемый принцип оказывается не в состоянии предсказать, какие именно «диссипативные структуры» могут возникнуть в том или ином конкретном случае; принцип этот не смог дать прогноза ни относительно свойств лазерного света, ни относительно формы ячеек Бенара — уже не раз упоминавшихся нами гексагональных структур, возникающих в нагреваемой снизу жидкости. Сделать такой прогноз удается лишь с помощью математических методов, используемых в синергетике (или даже специально для этой цели разработанных).

Больших успехов добились ученые, следующие другим путем, также проложенным представителями брюссельской школы Пригожина. Суть его заключается в математической формулировке и разработке химической модели, содержащей механизмы для запуска макроскопических колебаний концентрации двух веществ, а также их пространственных структур. В рамках этой модели два химических вещества должны вступать в реакцию друг с другом согласно определенным правилам и диффундировать в одном либо в двух измерениях (как на промокательной бумаге), аналогично тому, как это происходит в модели Гирера и Мейнхардта, уже обсуждавшейся нами ранее в связи с биологическим морфогенезом. Обе эти модели можно рассматривать как существенно расширенную модель Тьюринга, речь о которой шла в шестой главе. Модель Тьюринга призвана была описать течение химической реакции, обеспечивающей такой обмен веществ между двумя клетками, который приводил бы к «клеточной дифференциации». Что же касается дальнейших работ представителей брюссельской школы, то они в целом приняли направление, в котором с самого начала велись синергетические исследования, например, того же лазера.

После выхода в свет первого издания этой книги возникли и другие области исследований, сопряженных с синергетическими, а с ними — новые названия. Кстати, о названиях: когда факт появления нового научного направления проникает в сознание большинства ученых (и тем более — когда добирается до сознания общественности), начинается своего рода конкурентная борьба новых названий. Прежде всего, безусловно, следует упомянуть о таком «детище науки», как теория хаоса. Зачастую к теории хаоса относят буквально все, что прежде разрабатывалось в рамках синергетики, и в частности — закономерности процессов самоорганизации. Однако мы уже имели возможность убедиться в том, что теория хаоса изучает только совершенно определенный пласт феноменов, связанных с самоорганизацией. Поскольку при самоорганизации наиважнейшую роль играет нелинейное взаимодействие, синергетику (и не только ее) именуют «нелинейной динамикой» или даже «теорией динамических систем», хотя при этом оказываются «свалены в одну кучу» совершенно различные понятия. К примеру, теория динамических систем полностью игнорирует флуктуации, имеющие для синергетики ключевое значение. В целом же ситуация напоминает одну из описанных нами выше: некая фирма, выпустив на рынок совершенно новый и к тому же удачный продукт, неожиданно для себя вдруг обнаруживает существование фирм-конкурентов.