Джеймс Глик - Хаос. Создание новой науки

Традиционно допускалось, что для практических целей можно пренебречь действием поверхностного натяжения, поскольку оно очень незначительно. Но это не так. Происходящее в ничтожных масштабах могло сыграть решающую роль. Именно на микроуровне поверхностные эффекты обнаружили бесконечную чувствительность к молекулярной структуре отвердевающего вещества. В случае со льдом естественная симметрия молекул приводит к возникновению тенденции к росту в шести направлениях. К своему изумлению, ученые выяснили, что сочетание стабильности и неустойчивости усиливает эту тенденцию, создавая почти фрактальное кружево, из которого и получаются снежинки. Причем математическое описание процесса дали не те, кто изучал атмосферу, а физики-теоретики и металлурги. Последними руководил свой интерес: молекулярная симметрия металлов различна, а значит, различна и форма характерных кристаллов, которая определяет прочность сплава. Но математика здесь та же, ведь законы формирования таких моделей универсальны.

Сильная зависимость от начальных условий служит целям созидания, а не разрушения. Пока растущая снежинка летит к земле, с час или дольше паря в токах воздуха, ветвление ее лучиков в каждый конкретный момент зависит от таких факторов, как температура, влажность и загрязнение атмосферы.

Баланс стабильности и неустойчивости. По мере того как жидкость затвердевает она образует растущий отросток (показанный на снимке с многократной экспозицией слева вверху )с границами, которые становятся неустойчивыми и позволяют тем самым образовываться ответвлениям. Компьютерное моделирование этих тончайших термодинамических процессов воспроизводит реальный процесс образования снежинок.

Шесть кончиков одной-единственной снежинки, которая занимает в пространстве не более миллиметра, подвергаются воздействию одной и той же температуры, а поскольку законы роста и развития детерминистские по своей сути, в снежинке появляется близкая к идеалу симметрия. Но природа турбулентного воздушного потока такова, что ни одна снежинка не повторяет маршрут предыдущей. В итоге конечная форма снежного кристалла отображает все изменения погодных условий, действию которых он подвергался, а количество их комбинаций безгранично.

Физики любят повторять, что снежинки – неравновесный феномен. Это продукт дисбаланса в перетекании энергии от одного фрагмента природы к другому. Благодаря такому перетеканию на контуре кристалла появляется сначала острие, потом целое множество ответвлений, которые, в свою очередь, превращаются в сложную, невиданную структуру. Открыв, что неустойчивость такого рода подчиняется универсальным законам хаоса, ученые смогли применить те же методы ко множеству проблем физики и химии и теперь неизбежно считают, что подошла очередь биологии. Это отчасти подсознательное ощущение. Наблюдая за компьютерным моделированием роста дендритов, ученые воображают морские водоросли, стенки клеток, делящиеся и развивающиеся организмы [403].

К настоящему времени открыто множество путей проявления хаоса, начиная с невидимых микроскопических частиц и заканчивая доступной глазу повседневной сложностью. В математической физике теория бифуркаций Фейгенбаума и его коллег получила распространение среди ученых Соединенных Штатов и Европы. В абстрактных областях теоретической физики положено начало исследованию новых проблем, таких как еще не решенный вопрос о квантовом хаосе: приемлет ли квантовая механика хаотический феномен механики классической? Изучая движение жидкостей, Либхабер соорудил гигантскую емкость с гелием, в то время как Пьер Хоэнберг и Гюнтер Алерс занялись анализом распространения причудливых волн конвекции [404]. В астрономии специалисты по хаосу используют необычные модели гравитационной неустойчивости, чтобы истолковать происхождение метеоритов – необъяснимое выталкивание астероидов из области Солнечной системы, расположенной за орбитой Марса [405]. Биологи и физиологи используют физику динамических систем для изучения иммунной системы человека с ее миллиардами компонентов и способностью к обучению, запоминанию и распознаванию объектов. Они также размышляют над эволюцией в надежде отыскать универсальные механизмы адаптации [406]. Те, кто строит подобные модели, достаточно скоро начинают замечать в них структуры, которые повторяют сами себя, конкурируют и развиваются путем естественного отбора.

«Эволюция – это хаос с обратной связью», – утверждал Джозеф Форд [407]. Вселенная воплощает в себе беспорядочность и диссипацию. Но беспорядочное, заключающее в себе некую тенденцию, может порождать удивительную сложность. И, как обнаружил Лоренц много лет назад, диссипация является вестником порядка.

«Бог играет в кости со Вселенной, – таков был ответ Форда на известный вопрос Эйнштейна. – Но это шулерские кости. И сейчас главная цель физики состоит в том, чтобы выяснить, какими правилами руководствуется Всевышний, а затем использовать их в собственных целях» [408].

Такие идеи помогают двигать вперед коллективную научную деятельность. И все же ни философии, ни доказательств, ни опытов не было достаточно, чтобы поколебать отдельных ученых, которых наука должна прежде всего и всегда обеспечивать пригодным для работы инструментарием. В некоторых лабораториях традиционные методы уже изживают себя, дорогое оборудование не оправдывает возложенные на него надежды. Нормальная наука, как выразился Кун, «сбилась с пути, и ей больше не удается обходить аномальные явления» [409]. Веяния хаоса не могли возыметь действие на каждого ученого, пока метод новой дисциплины не доказал свою необходимость.

В каждой области есть свои примеры. В экологии таковым стала деятельность Уильяма Шаффера, последнего из учеников Роберта Макартура, лидера этой дисциплины в 1950-1960-х годах. Макартур выработал понятие о природе, которое заложило прочную основу идеи естественного баланса. Построенные ученым модели предполагали, что существуют определенные состояния равновесия, около которых колеблются популяции растений и животных. С точки зрения Макартура, балансу в природе присуще то, что можно назвать почти моральным качеством: состояния равновесия в его моделях обеспечивали наиболее рациональное использование пищевых ресурсов, при котором потери минимальны. Природа добра, если оставить ее в покое.

Два десятилетия спустя последний студент Макартура понял, что экология, базирующаяся на идее равновесия, обречена. Общепринятые модели, с присущим им уклоном в сторону линейности, не оправдали ожиданий. Природа куда сложнее. Вместо равновесия ученый увидел хаос, «одновременно живой и немного пугающий» [410]. Хаос способен подорвать самые устоявшиеся предположения экологов, поведал он коллегам. «То, что мы в нашей области считаем основными понятиями, подобно легкой дымке перед яростным напором бури – в данном случае настоящего нелинейного шторма» [411].