Хаос. Создание новой науки - Джеймс Глик

Структура, зарождающаяся среди бесформенности, – такова главная прелесть живого и его основная загадка. Жизнь извлекает порядок из моря неустойчивости. Эрвин Шрёдингер, один из создателей квантовой механики и представитель тех немногих физиков, которые размышляли над вопросами биологии, объяснил это тем, что живому организму присущ «удивительный дар концентрировать в себе некую „струю порядка“ и таким образом избегать распада на хаос атомов»[392]. Будучи физиком, Шрёдингер отчетливо понимал, что структура живой материи отличается от тех форм материи, которыми занималась его наука. Основным «кирпичиком» в здании живого организма ему представлялся апериодический кристалл (понятия ДНК тогда еще не существовало). «В физике до настоящего момента мы имели дело лишь с периодическими кристаллами. Эти крайне интересные и сложные объекты составляют одну из наиболее чарующих и сложных материальных структур, с помощью которых неживая природа ставит ученого в тупик, и все же по сравнению с апериодическими кристаллами они довольно просты и скучны»[393]. Различия, о которых пишет Шрёдингер, можно сравнить с разницей между обоями и гобеленом, между регулярным повторением определенного узора и богатейшими вариациями творения художника. Физиков учили понимать лишь рисунок обоев, поэтому неудивительно, что их вклад в биологию оказался столь невелик.

Точка зрения Шрёдингера была необычной. Мысль, что жизнь одновременно и упорядоченна, и сложна, выглядела трюизмом. Представление об апериодичности как источнике особых свойств живого граничило с мистикой. Во времена Шрёдингера ни математики, ни физики по-настоящему не поддержали его идею. Для анализа иррегулярности как основного компонента жизни еще не существовало инструментов. Но сейчас они есть.

Новые убеждения, новые определения. Второй закон термодинамики, загадка снежинок и игра в кости. Возможность и необходимость.

Несколько десятков лет назад Эдвард Лоренц размышлял о загадках атмосферы, Мишель Эно – о звездах, Роберт Мэй – о балансе в природе. Бенуа Мандельброт был безвестным математиком из корпорации IBM, Митчелл Фейгенбаум – студентом городского колледжа Нью-Йорка, Дойн Фармер – мальчишкой из Нью-Мексико. В те времена большинство ученых-практиков придерживались определенных взглядов на феномен сложности. Взгляды эти были настолько очевидными для них, что не нуждались в словесном изложении. Прошло некоторое количество времени, прежде чем стало возможно четко сформулировать, в чем эти убеждения заключались, и вынести их на всеобщее рассмотрение. Они сводились к следующему.

Поведение простых систем является простым. Механическое приспособление вроде маятника, электрический колебательный контур, гипотетическая популяция рыб в пруду – до тех пор, пока все подобные системы могут быть сведены к нескольким вполне понятным, совершенно детерминистским законам, их долгосрочное поведение стабильно и предсказуемо.

Сложное поведение подразумевает сложные причины. Механическое устройство, сложная электрическая схема, реальная популяция животных в мире дикой природы, поток жидкости, биологический орган, пучок частиц, шторм в атмосфере, экономика целой страны – системы явно нестабильные, непредсказуемые и неконтролируемые. Состояние их зависит от множества независимых параметров и подвергается воздействию случайных факторов извне.

Поведение разных систем различно. Нейробиолог, который исследует химические процессы, происходящие в нервных клетках человека, но мало что знает о памяти или восприятии, авиаконструктор, который применяет аэродинамическую трубу для решения задач газовой динамики, но не понимает математику турбулентности, экономист, который анализирует мотивацию покупателя при приобретении того или иного товара, но не способен прогнозировать долгосрочный спрос, – эти и подобные им ученые уверены, что раз компоненты их дисциплин различны, то сложные системы, состоящие из миллиардов этих компонентов, должны отличаться друг от друга.

Теперь все изменилось. За последующие двадцать лет физики, математики, биологи и астрономы выработали альтернативный набор идей: простые системы дают начало сложному поведению, а сложные системы порождают простое поведение. И что самое главное, законы сложности обладают универсальностью, которая ни в коей мере не зависит от особенностей составляющих систему элементов.

На деятельности многих ученых-практиков – физиков, занимавшихся изучением элементарных частиц, неврологов и даже математиков – эта перемена отразилась не сразу. Они продолжали исследования в рамках своих дисциплин. Тем не менее в их умы была заронена идея о существовании феномена хаоса: они знали, что некоторые сложные явления удалось истолковать, а другие внезапно стали нуждаться в переосмыслении. Ученые, которые вглядывались в течение химических реакций, или наблюдали за жизнью насекомых в ходе трехлетнего эксперимента, или моделировали изменения температуры воды в океане, уже не могли, как раньше, игнорировать внезапные колебания или отклонения. Для некоторых это означало лишь дополнительные трудности. Но, будучи прагматиками, ученые прекрасно знали, что на исследования в этой сфере, которую с трудом можно назвать математикой, федеральное правительство и исследовательские центры корпораций готовы ассигновать средства, и все больше и больше специалистов понимали: хаос предлагает новый подход к работе с данными, отложенными в долгий ящик потому, что они выглядели чересчур странными. Все больше и больше ученых ощущали, что обособленность научных дисциплин является препятствием в их работе; один за другим они осознавали, что изучать обособленные от целого части бесполезно. Для них хаос знаменовал конец редукционизма в науке.

Непонимание, неприятие, гнев, одобрение – целая гамма эмоций была выплеснута на тех, кто поддерживал изучение хаоса с самого начала. Джозеф Форд из Технологического института Джорджии вспоминал, как в 1970-х годах, читая лекцию группе специалистов по термодинамике, он упомянул о хаотическом поведении, которое просматривалось в уравнении Дуффинга, хрестоматийной модели простого осциллятора, подверженного трению. Для самого Форда присутствие хаоса в указанном уравнении было весьма любопытным фактом, который не вызывал сомнений, хотя статья о нем была опубликована в журнале PhysicalReviewLettersлишь несколько лет спустя. Но с таким же успехом Форд мог поведать собранию палеонтологов о наличии перьев у динозавров – им было лучше знать.

«Когда я обмолвился об этом, аудитория – господи боже! – буквально взорвалась. Я услышал что-то вроде: „Мой отец изучал это уравнение, дед занимался им, и почему-то они не обнаружили там того, о чем нам рассказываете вы!“ Заявляя, что природа сложна, вы должны быть готовы к сопротивлению. Мне такая враждебность была непонятна»[394].