Хаос. Создание новой науки - Джеймс Глик

Либхабер задумал возбудить конвекцию в жидком гелии: сделать так, чтобы нижняя пластина оказалась теплее верхней. Эксперимент в точности повторял опыт, описанный в свое время Эдвардом Лоренцем, – классическую схему, известную как модель конвекции Рэлея – Бенара. Но Либхабер тогда еще не знал о Лоренце. Не имел он понятия и о теории Митчелла Фейгенбаума. В 1977 году Фейгенбаум отправился в лекционное турне, и его открытие заставляло говорить о нем повсюду, где ученые знали, как его интерпретировать. Однако, насколько могло судить большинство физиков, опыты Фейгенбаума и открытые им закономерности не обнаруживали очевидной связи с реальными системами. Эти открытия были сделаны с помощью вычислительной машины. Физические же системы были бесконечно сложнее. В отсутствие дополнительных доказательств самое большее, что можно было сказать, – это что Фейгенбаум открыл математическую аналогию, похожую на зарождение турбулентности.

Либхабер знал про опыты американских и французских ученых, которые существенно ослабили позиции теории Ландау о пороге турбулентности, продемонстрировав, что та возникает не в результате непрерывного наложения различных частот, а при внезапном переходе. Джерри Голлаб, Гарри Суинни и другие исследователи, проведя эксперименты с потоком жидкости во вращающемся цилиндре, выявили необходимость в новой теории, однако им не удалось разглядеть переход к хаосу во всех деталях. Либхабер понимал, что в лабораторных условиях четкий образ порога турбулентности еще не был получен, и надеялся, что частичка жидкости в сконструированной им ячейке даст более ясную картину этого явления.

«Гелий в маленькой коробочке». Искусный эксперимент Альберта Либхабера: в самом сердце системы располагалась тщательно сконструированная прямоугольная ячейка с жидким гелием внутри; крошечные сапфировые болометры измеряли температуру жидкости. Миниатюрная ячейка была помещена в контейнер, призванный защитить ее от посторонних шумов и вибраций и обеспечить точность замеров при нагревании.

Наукой движет специализация. Исследователи гидродинамики, следуя своим представлениям, совершенно справедливо усомнились в высоком уровне точности, который, по утверждению Суинни и Голлаба, был достигнут ими при работе с течением Куэтта – Тейлора. Со своей стороны математики справедливо возмущались Рюэлем. Он нарушил правила, выдвинув амбициозную физическую теорию под видом доказательного математического утверждения, и сделал это так, что отделить предположения от доказательств стало весьма нелегко. Математик, который отказывается принять идею, пока она не будет облечена в традиционную форму теоремы и доказательства, играет по правилам, предписанным его дисциплиной и ставящим заслон на пути подтасовки. Редактор журнала, отвергающий новые идеи, изложенные непривычным стилем, способен навлечь на себя обвинение в защите кастовых интересов авторитетных коллег, тем не менее он также выполняет роль защитного фильтра в обществе, которое не без оснований остерегается неизведанного. Сам Либхабер замечал, что «наука – оружие против нелепости»[256]. Когда коллеги называли его мистиком, характеристика эта далеко не всегда звучала лестно.

Осторожный и дисциплинированный экспериментатор, известный своей точностью в постановке опытов, он обладал чутьем на такое абстрактное, расплывчатое, призрачное явление, как поток. Поток воплощает в себе образ и изменения, движение и форму. Физик, думающий о системе дифференциальных уравнений, назовет их математическое движение потоком. Идея потока восходит еще к Платону, предполагая, что изменения в системах отражают некую реальность, не зависящую от конкретного момента. Либхабер принял мысль Платона о том, что Вселенная полна скрытых форм. «Но мы ведь знаем, что это на самом деле так! Вы же видели листья на деревьях.

Разве вы не поражаетесь тому, что число характерных для них форм ограниченно? Вы можете легко изобразить в общих чертах любой лист. Было бы интересно понять это явление. Или вот другие формы. Например в эксперименте вы наблюдаете, как одна жидкость проникает в другую. – Рабочий стол самого Либхабера был усыпан изображениями подобных опытов, мощных фрактальных разливов жидкости. – А сейчас, включив газ на кухне, вы видите, что пламя принимает ту же универсальную, весьма распространенную форму. Для меня не имеет значения, пламя ли это, или жидкости одна внутри другой, или твердый растущий кристалл. Все, что меня интересует, – это сама форма. В науке еще с восемнадцатого века витали мысли о том, что ученые проходят мимо эволюции формы в пространстве и времени. Думая о потоке, можно представлять его по-разному – как некий поток в экономике или как течение истории. Сначала это течение может быть ламинарным, потом разветвляющимся до более сложного состояния, когда, вероятно, появятся колебания. А потом оно становится хаотичным»[257].

Универсальность форм, подобие сквозь масштабы, повторение и пересечение потоков – все это находилось за пределами стандартного математического подхода, но осознать этот факт было весьма непросто. Научные вопросы формулируются на доступном языке науки, а в XX веке либхаберовское ощущение потока лучше всего было выражено языком поэзии. Например, Уоллес Стивенc, опережая физиков в сверхъестественном видении мира, так описал поток, повторяющий себя в непрестанных изменениях:

Поэзия Стивенса часто передает буйство воздуха и воды. Она также проникнута убеждением, что порядок незримо присутствует в природе:

В воздухе, где нет теней,

Неосязаемое знание разлито повсюду[258].

Когда в 1970-х годах Либхабер и другие экспериментаторы начали изучать движение жидкостей, они делали это так, как если бы восприняли поэтический намек на неощутимое знание. Они подозревали наличие связи между движением и определенной универсальной формой, собирая информацию единственно возможным путем – фиксируя результаты опытов и накапливая их в компьютере. Потом они искали такие способы организации данных, которые позволили бы обнаружить универсальные формы и описать их в терминах движения. Эти ученые были убеждены, что динамические образы, подобные пламени, и органические структуры, такие как листья, обязаны своей формой некоему еще не исследованному сплетению сил. Этим экспериментаторам, которые неустанно пытались уловить хаос, удалось отказаться от представления о реальности как замершей и неподвижной. Они подошли в своих представлениях совсем близко к тому, что Стивене выразил фразой «Зыбко вздымалась массивная зыбь вещества» (хотя даже Либхабер не заходил настолько далеко, чтобы описывать это таким образом)[259]: