Джеймс Глик - Хаос. Создание новой науки

Интуиция физика, еще не столкнувшегося с хаосом, подсказывала Лоренцу, что за длительный период времени при неизменном потоке воды система придет в устойчивое состояние. Колесо будет или равномерно вращаться, или постоянно через определенные неизменные промежутки времени менять на правление вращения, крутясь сначала вперед, затем назад. Однако Лоренц обнаружил, что это не так.

Водяное колесо Лоренца. Первая хаотическая система, обнаруженная Эдвардом Лоренцем, точно соответствует механическому устройству – водяному колесу, которое может вести себя удивительно сложным образом. Вращающееся колесо имеет те же свойства, что и вращающиеся в процессе конвекции цилиндры жидкости: колесо похоже на их поперечные сечения. Обе системы непрерывно подстегиваются потоком – воды или теплоты, – и обе рассеивают энергию. Жидкость утрачивает теплоту; вода выливается из черпаков колеса. Долгосрочное поведение обеих систем зависит от того, насколько велика управляющая ими энергия. Вода наливается сверху с постоянной скоростью. Если скорость ее небольшая, верхний черпак никогда не становится полным, трение не преодолевается и колесо не поворачивается. (Подобное явление наблюдается и в жидкости: если теплоты недостаточно, чтобы преодолеть вязкость, жидкость останется неподвижной.) С увеличением скорости водяного потока колесо начинает двигаться под тяжестью верхнего черпака ( слева )и даже вращаться с постоянной скоростью ( в центре ). Однако при чрезмерной скорости воды ( справа )вращение колеса может стать хаотичным из-за нелинейных воздействий, появившихся в системе. Черпаки, проходя под водяным потоком, наполняются в зависимости оттого, насколько быстро вращается колесо. При быстром вращении колеса им не хватает времени, чтобы наполниться. (Так же и жидкости в быстровращающихся конвекционных завитках недостает времени, чтобы поглотить тепло.) Кроме того, емкости могут начать двигаться в обратную сторону, не успев лишиться всей воды. В результате полные черпаки на движущейся вверх стороне колеса способны замедлить вращение всей системы, а затем вызвать ее поворот в обратную сторону. Фактически Лоренц обнаружил, что в течение длительных периодов времени вращение может менять свое направление несколько раз, никогда не обретая постоянной скорости и никогда не повторяясь каким-либо предсказуемым образом [46] Подобное вращение можно наблюдать на видео: www.youtube.com/watch?v= Gu50alrmzNA . .

Три уравнения с тремя переменными полностью описывали движение данной системы [47] Эта классическая модель, обычно называемая системой Лоренца, выглядит так: dx/dt = 10 (у − х) dy/dt = − xz + 28х − у dz/dt = ху − (8/3) z С момента ее появления в «Deterministic Nonperiodic Flow» система Лоренца много исследуется; см., например, авторитетную техническую работу: Sparrow C. The Lorenz Equations, Bifurcations, Chaos, and Strange Attractors. Springer-Verlag, 27 См. русский перевод: Лоренц Э. «Детерминированное непериодическое течение» // Странные аттракторы . М.: Мир, С. 88. ( Прим. науч. ред .) . Компьютер ученого распечатал меняющиеся значения этих переменных в следующем виде: 0-10-0; 4-12-0; 9-20-0; 16-36-2; 30-66-7; 54-115-24; 93-192-Числа в наборе сначала увеличивались, затем уменьшались по мере отсчета временных интервалов: пять, сто, тысяча…

Чтобы наглядно изобразить полученные результаты, Лоренц использовал каждый набор из трех чисел в качестве координаты точки в трехмерном пространстве. Таким образом, последовательность чисел воспроизводила последовательность точек, образующих непрерывную линию, запись поведения системы. Эта линия могла прийти в какую-то точку и там остановиться, что соответствовало бы достижению равновесия, при котором скорость и температура оставались постоянными. Был возможен и второй вариант: формирование петли, повторяющейся вновь и вновь и сигнализирующей о переходе системы в периодически повторяющееся состояние.

Но Лоренц не обнаружил ни того ни другого. Система демонстрировала своего рода бесконечно сложное поведение. Траектория всегда оставалась ограниченной, но никогда не повторялась. Изгибы линии приобретали странные, но весьма характерные очертания, похожие на два крыла бабочки или на двойную спираль в трехмерном пространстве. И эта форма свидетельствовала о полной неупорядоченности, поскольку ни одна из точек или их комбинаций не повторялась. Но эта же форма свидетельствовала и о новом типе порядка.

Спустя годы физики все еще обсуждали публикацию Лоренца – «эту замечательную, необыкновенную статью!», – и в их взгляде появлялась задумчивость. О его работе говорили так, словно она представляла собой древний манускрипт, хранивший секреты вечности. Из тысяч статей, составивших специальную литературу по проблеме хаоса, вряд ли какая-либо цитировалась чаще, чем «Детерминированное непериодическое течение» Лоренца [48] Малкус, Лоренц. . Многие годы ни один феномен не изображался столь бессчетное количество раз, ни об одном не сняли столько фильмов, сколько о таинственной кривой, описанной в этой главе, – двойной спирали, известной как «аттрактор Лоренца».

Она воплощала в себе сложность и запутанность, все многообразие хаоса.

Аттрактор Лоренца. Это магическое изображение ( внизу ), напоминающее маску совы или крылья бабочки, стало эмблемой первых исследователей хаоса. Оно раскрывает тонкую структуру, таящуюся в беспорядочном потоке информации. Традиционно изменение значений какой-либо переменной графически изображалось в виде так называемого временно́го ряда ( вверху ). Чтобы продемонстрировать меняющееся соотношение между тремя переменными, потребовался другой способ графического представления. В каждый момент времени три переменных задают положение точки в трехмерном пространстве; по мере изменения системы перемещение точки описывает непрерывное изменение переменных. Поскольку состояние системы никогда точно не повторяется, траектория не пересекает сама себя, образуя лишь новые и новые петли. Движение по аттрактору абстрактно, тем не менее оно передает особенности движения реальных систем. Например, переход от одного из «крыльев» аттрактора к другому соответствует началу обратного хода водяного колеса или изменению направления вращения жидкости при конвекции.

Но это во времена Лоренца ощущали немногие. Он рассказал о своих опытах Виллему Малкусу, профессору прикладной математики Массачусетского технологического института, который слыл человеком весьма тактичным и способным оценить по достоинству работу коллег. В ответ Малкус, рассмеявшись, произнес: «Эд, мы знаем, знаем доподлинно, что в жидкости ничего подобного не происходит из-за конвекции» [49] «Deterministic Nonperiodic Flow» в середине 1960-х в научном сообществе цитировалась с периодичностью раз в год, а двумя десятилетиями позже – больше чем сто раз в год. . По его мнению, вся сложность со временем загасится и система перейдет к установившемуся, регулярному движению.