Хаос. Создание новой науки - Джеймс Глик

«Когда я начал свою профессиональную деятельность в области математики в 1960 году, а это было не так давно, математика в современном ее виде полностью – буквально полностью – отвергалась даже самыми передовыми специалистами по математической физике. Дифференциальная динамика, глобальный анализ, многообразия отображений, дифференциальная геометрия – почти все, сделанное спустя пару лет после работ Эйнштейна, было отвергнуто. Можно сказать, что брак между математикой и физикой завершился разводом уже в 1930-х годах – ученые двух областей, ничего не обсуждая между собой, презирали друг друга. Специалисты по математической физике не позволяли своим выпускникам посещать занятия математиков: „Учитесь математике у нас! Мы сами научим вас всему, что нужно знать. Они слишком сконцентрированы на себе и лишь извратят ваше мышление!“ Шел 1960 год. Через восемь лет ситуация коренным образом изменилась». Физики, астрономы, биологи – все осознавали, что стоят на пороге новых открытий.

Одна из скромных загадок космоса – Большое красное пятно на Юпитере[99]. Овальной формы, огромное, похожее на гигантский вихрь, оно никуда не движется, но никогда и не исчезает. Взглянув на снимки, переданные в 1978 году «Вояджером-2», любой узнает в этом движении хорошо знакомое проявление турбулентности, правда, невиданного доселе, вселенского масштаба. Пятно – одна из давно известных достопримечательностей Солнечной системы, «налитое кровью око средь завитков нахмуренных бровей», как описал его Джон Апдайк[100]. Но что же это такое? Через двадцать лет после Лоренца Смейл и другие ученые, по-новому взглянув на природные токи, поняли, что внеземная атмосфера Юпитера подбрасывает им загадку, достойную того, чтобы на ней испытать новые представления о возможностях природы, пришедшие с наукой о хаосе.

Три столетия подряд поиски разгадки приводили к тому, что чем больше мы узнавали, тем меньше понимали. Астрономы обнаружили пятно на Юпитере вскоре после того, как Галилей направил свои телескопы на крупнейшую из планет Солнечной системы. Роберт Гук увидел это образование еще в начале XVII века, Донато Крети изобразил таинственный феномен на полотне (работа хранится в картинной галерее Ватикана). Пока то было просто некое цветное пятно, оно не особенно нуждалось в объяснении. Однако телескопы совершенствовались и новое знание порождало новые гипотезы и теории, буквально наступавшие друг другу на пятки. Вот лишь некоторые из них.

Теория извержения лавы. В конце XIX века ученые представляли себе пятно как огромное озеро лавы, вытекающей из кратера вулкана или же из отверстия, которое образовалось в твердой коре после падения на поверхность планеты одного из спутников Юпитера.

Теория зарождения Луны. Один немецкий ученый, напротив, предположил, что загадочное пятно связано с формированием новой юпитерианской луны.

Теория яйца. Когда обнаружилось, что пятно слегка перемещается относительно планеты, в 1939 году возникла гипотеза о более или менее твердом образовании, которое плавает в атмосфере, подобно тому как яйцо плавает в воде. Варианты этой теории, в том числе идея о дрейфующем скоплении газа (водорода или гелия), высказывались на протяжении десятилетий.

Теория газового столба. В XX веке вскрылась и другая новая деталь: хотя пятно перемещается, сдвиг никогда не бывает значительным. В 1960-х годах родилось предположение, что пятно – вершина бьющего из недр планеты газового столба, который, вероятно, берет свое начало в одном из кратеров.

А потом полетел «Вояджер». Большинство астрономов считали, что загадка Большого красного пятна разрешится сразу, как только они смогут взглянуть на него вблизи. И действительно, «Вояджер» передал много полезной информации, но она не решила проблемы. На фотографиях Юпитера, полученных в 1978 году, дули стремительные ветры, закручивались в спирали красочные вихревые токи, но самым впечатляющим зрелищем оказалось пятно, подобное урагану, система кружащихся водоворотом течений. Оно расталкивало облака, образующие горизонтальные полосы под действием ветров, дующих с востока на запад. Гигантский ураган – вот первое, что приходило на ум, но в силу определенных причин это объяснение никуда не годилось. Земными ураганами движет тепло, высвобождающееся при конденсации влаги и выпадении дождя. Совсем иные силы приводят в движение пятно на Юпитере. Ураганы, как и циклоны, перемещаются против часовой стрелки в Северном полушарии Земли и по часовой стрелке – в Южном, подобно всем бурям, происходящим на нашей планете. Если судить по этому признаку, пятно представляет собой антициклон. Но самое главное, что все ураганы спустя несколько дней утихают.

Изучая полученные космическим аппаратом снимки, астрономы также пришли к выводу, что Юпитер представляет собой не твердое тело с тончайшей, как у Земли, атмосферной оболочкой, а жидкую сферу в движении. Если Юпитер и имеет твердое ядро, то оно весьма удалено от поверхности. Пятая от Солнца планета оказалась гигантским наглядным пособием для изучения динамики жидкостей. И на поверхности этого жидкого тела монотонно кружилось пятно, которому совсем не мешал царивший вокруг хаос.

Пятно стало тестом на образное мышление. Чего только не узнавали в нем исследователи! Специалисты по динамике жидкостей, считавшие турбулентность случайным явлением, шумом, не могли объяснить, как в самом ее сердце возник этот островок стабильности. «Вояджер» вдвойне усложнил задачу, показав такие мелкие детали потока в структуре пятна, которых не разглядишь с Земли даже в самый мощный телескоп[101]. Увеличение масштаба быстро выявило элементы неупорядоченности, в частности зарождение и затухание вихрей в течение дня или даже часов. Тем не менее тайна Большого красного пятна оставалась тайной. Что давало ему жизнь? Что удерживало его почти на месте?

В архивах НАСА – а их в США около полудюжины – хранятся снимки, полученные с космических аппаратов. Один из таких архивов находится в Корнеллском университете. Неподалеку от него в начале 1980-х годов располагался офис Филипа Маркуса, молодого астронома, интересовавшегося также прикладной математикой. Получив данные наблюдений с «Вояджера», он стал одним из полудюжины ученых в США и Великобритании, которые занялись моделированием пятна. Специалистам, не связанным гипотезой о чудовищном урагане, не пришлось долго искать аналогий. Взять, например, Гольфстрим, течение в западной части Атлантики. Оно точно так же изгибается и разветвляется, в нем зарождаются небольшие волны, закручивающиеся в петли, а затем в кольца; поодаль от основного течения они образуют медленные продолжительные антициклонические водовороты. Напрашивалась и параллель с довольно специфическим явлением, известным в метеорологии как блокировка. Феномен блокировки имеет место, когда область высокого давления находится на значительном расстоянии от берега и медленно поворачивается, неделями или месяцами, вопреки западному переносу. Этот феномен искажает модели глобального прогнозирования погоды, но одновременно обнаруживает черты долговечной упорядоченности, подавая метеорологам слабую надежду.