Ритм вселенной. Как из хаоса возникает порядок - Стивен Строгац

Надеюсь, я дал вам почувствовать, насколько это увлекательно – заниматься наукой в наше время. Мне кажется, что сейчас все мы являемся свидетелями наступления новой эры. После столетий изучения природы на все более тонких уровнях, исследования все более мелких частиц материи, мы начинаем размышлять над тем, как из этих частиц составить цельную и стройную картину мира.

Прочитав эти слова, бывалые люди усмехнутся и скажут, что уже не раз слышали подобные фразы. Примерно каждые десять лет появляется очередная грандиозная теория, претендующая на то, чтобы явить нам цельную и стройную картину мира, и имеющая название, которое нередко начинается с латинской буквы «c» и призвано внушать людям благоговейный трепет. В 1960-е годы такой универсальной теорией была кибернетика (cybernetics). В 1970-е годы ее роль играла теория катастроф (catastrophe theory). В 1980-е годы появилась теория хаоса (chaos theory), а в 1990-е годы – теория сложности (complexity theory). В каждом из этих случаев скептики ворчали, что значимость всех этих теорий сильно преувеличена и что следующие из них выводы либо ошибочны, либо самоочевидны. После этого все дружно смеялись и расходились по своим лабораториям заниматься более приземленной, «реалистической» наукой, отгородившись глухими стенами от своих коллег, которые занимались смежными дисциплинами и сами копошились в своих собственных крошечных уголках вселенной.

Сейчас ситуация изменилась, и в воздухе носится принципиально новая идея. Даже самые закоренелые консерваторы среди ученых, представители «мейнстрима», начинают признавать, что, опираясь на редукционизм, то есть учение о сведении явлений высшего порядка к явлениям низшего порядка, уже невозможно разрешить такие великие загадки нашего времени, как раковые заболевания, механизм сознания, происхождение жизни, устойчивость экосистемы, СПИД, глобальное потепление, функционирование клетки, взлеты и падения экономики. Знаком времени является, например, то, что при каждом крупном исследовательском университете создаются институты с такими названиями, как функциональная геномика и интегративная биология, где биологи объединяются с учеными-компьютерщиками и математиками, пытаясь разгадать тайну возникновения жизни на молекулярном уровне. Определение последовательности генома человека дало нам в руки огромный перечень частей: 30 тысяч отдельных генов и закодированных ими белков. Но нам по-прежнему остается лишь догадываться, каким образом взаимосвязанная деятельность этих генов и белков координируется в живой клетке.

Главной причиной чрезвычайной сложности всех этих нерешенных проблем является их децентрализованный и нелинейный характер: огромные количества компонентов меняют свои состояния от одного момента к другому, образуя между собой замкнутые, кольцевые структуры, причем способ формирования этих кольцевых структур таков, что не позволяет изучать составные их части по отдельности. В таких случаях целое, конечно же, не равняется сумме его составных частей. Эти явления, подобно большинству других явлений нашей Вселенной, носят фундаментально нелинейный характер.

Именно поэтому нелинейная динамика играет главную роль в будущем науки. Теория хаоса выявила, что даже простые нелинейные системы могут вести себя чрезвычайно сложно; она также показала нам, что уяснить механизмы таких систем с помощью картинок бывает проще, чем посредством математических уравнений. Теория сложности научила нас тому, что многие простые элементы, взаимодействующие между собой согласно простым правилам, могут создавать неожиданный порядок. Однако главный недостаток теории сложности заключался в том, что ей так и не удалось объяснить, откуда берется порядок (в глубоком математическом смысле), и не удалось убедительным образом связать теорию с реальными явлениями. Именно поэтому теория сложности оказала лишь незначительное влияние на мышление большинства математиков и ученых.

Именно в этом, как мне кажется, проявились уникальные способности синхронизма. Будучи одним из старейших и самых элементарных разделов науки о нелинейных процессах (поскольку имеет дело с чисто ритмическими элементами), синхронизм позволяет достичь глубокого понимания многих явлений, начиная с сердечной аритмии и заканчивая сверхпроводимостью, начиная с циклов сна и заканчивая устойчивостью единой энергосистемы. Синхронизм основывается на строгих математических представлениях; он прошел испытание экспериментом; он описывает и объединяет очень широкий спектр «поведения сотрудничества» в живой и неживой природе и на любой шкале расстояний, начиная с субатомных и заканчивая космическими. Даже если оставить в стороне важную роль, которую играет синхронизм, а также внутренне присущие ему привлекательность и очарование, я считаю, что он станет решающим первым шагом на пути к более глубокому изучению сложных нелинейных систем, когда на смену осцилляторам придут гены и клетки, компании и люди.

С другой стороны, я не хотел бы, чтобы у моих читателей сложилось ложное представление. Синхронизм – это лишь малая часть научной мысли в целом. Его отнюдь нельзя рассматривать как единственно правильный подход к изучению сложных систем. Химик Илья Пригожин и его коллеги считают, что ключом к разгадке тайн самоорганизации является более глубокое понимание термодинамики. Они рассматривают возникновение порядка как результат победоносного сражения против энтропии, когда сложная система подпитывается энергией, поступающей из ее окружения. Физики, изучающие вопросы образования структур, рассматривают механику жидкостей как парадигму образования структур, когда течение турбулентной жидкости время от времени рождает когерентные структуры, подобные спиралям и перьям, вместо того чтобы вырождаться в примитивный однородный поток. Физик Германн Хакен и его коллеги рассматривают мир как некое подобие лазера, в котором элементы случайности и положительной обратной связи, сговариваясь между собой, вырабатывают организованные формы, которые то тут, то там возникают вокруг нас. Исследователей из института Санта-Фе приводит в восхищение повсеместность эволюции, совершающейся посредством естественного отбора не только в биологических популяциях, но и в иммунных системах, экономических системах и на фондовых биржах. Другие ученые рассматривают Вселенную как гигантский компьютер, выполняющий некую таинственную программу, открытие которой будет знаменовать собой конец науки как таковой.

Но на сегодняшний день все это лишь несбыточные мечты, «воздушные замки». Мы все еще пребываем в ожидании грандиозного научного прорыва, но никто не знает, когда именно этот прорыв состоится. Не исключено, что мы нуждаемся в концептуальном эквиваленте исчисления математического анализа, в способе, который давал бы нам возможность видеть последствия мириадов взаимодействий, которые определяют ту или иную сложную систему. Вполне возможно, что такое ультраисчисление, если бы кто-то подарил его нам, выходило бы далеко за пределы человеческого понимания. Я, во всяком случае, затрудняюсь сказать о нем что-либо определенное.

Между тем наука о синхронизме продолжает развиваться, шаг за шагом. Чарли Пескин положил начало изучению механизма полета насекомых, совершаемого за счет маховых движений крыльями. Сейчас он вместе со своим коллегой Дэвидом Маккуином занимается усовершенствованием своих компьютерных моделей потока крови в сердце. Использование этих моделей уже помогло врачам разработать более совершенные искусственные клапаны сердца.