Хаос. Создание новой науки - Джеймс Глик

«Давайте еще раз приглядимся к законам термодинамики, – писал Джеймс Лавлок, автор гипотезы Геи. – Действительно, на первый взгляд их смысл кажется равнозначным предостережению, начертанному на вратах Дантова ада…»[400] Однако здесь есть одно но.

Второй закон термодинамики – та плохая новость из мира науки, которая твердо обосновалась даже в далеких от науки областях культуры. Все вокруг стремится к беспорядку. Любой процесс перехода энергии из одной формы в другую должен сопровождаться потерей некоторой ее части в виде теплоты, стопроцентная эффективность преобразования невозможна. Вселенная подобна улице с односторонним движением. Энтропия должна постоянно возрастать как в самой Вселенной, так и в любой гипотетической изолированной системе внутри нее. Как ни формулируй второй закон термодинамики, ничего особенно привлекательного не получится. И в термодинамике так оно и есть. Но в областях интеллектуальной деятельности, далеких от науки, второй закон живет собственной жизнью, принимая на себя ответственность за разделение общества, экономический спад, снижение культурного уровня и множество других проявлений эпохи упадка. Кажется, что сейчас такие вторичные, метафорические воплощения второго закона термодинамики выглядят особенно вводящими в заблуждение. В нашем мире процветает сложность, а тем, кто надеется с помощью науки получить общее представление о свойствах природы, лучше послужат законы хаоса.

Каким-то образом по мере движения Вселенной к конечному равновесию в лишенном характерных черт пекле максимальной энтропии появляются удивительные структуры. Вдумчивые физики, изучающие закулисье термодинамики, понимают, насколько волнующим является вопрос, который один из них сформулировал следующим образом: «Как бесцельный поток энергии может привносить жизнь и сознание в наш мир?»[401] Частью проблемы служит расплывчатое понятие энтропии, вполне приемлемое и хорошо определенное для целей термодинамики, когда речь идет о нагреве и температуре, однако чертовски сложное для того, чтобы его можно было ассоциировать с мерой беспорядка. Ученые и так сталкиваются с трудностями, вычисляя меру порядка в воде, когда она замерзает, образуя кристаллические структуры и рассеивая энергию. И уж никак не подходит термодинамическая энтропия для определения изменяющейся степени оформленности и бесформенности в процессе создания аминокислот и микроорганизмов, самовоспроизводящихся растений и животных или сложных информационных систем вроде мозга. Безусловно, эти эволюционирующие островки упорядоченности должны подчиняться второму закону термодинамики. Однако более важные законы, законы созидания, устроены как-то иначе.

Природа создает узоры, схемы, закономерности. Одни из них упорядоченны в пространстве, но беспорядочны во времени, другие – наоборот. Некоторые являются фрактальными, обнаруживая структуры, повторяющие сами себя в различных масштабах, некоторые порождают устойчивые или колеблющиеся состояния. Специальные разделы физики и науки о материалах занимаются изучением механизмов образования таких узоров, позволяя ученым моделировать скопления частиц в кластерах, распространение электрических разрядов извилистыми трещинами, рост кристаллов при образовании льда и остывании металлических сплавов. Динамика таких процессов кажется азбучной – изменение формы в пространстве и времени, – но только в наше время появились инструменты, сделавшие возможным ее постижение. И теперь мы вправе спросить у физика: «Почему снежинки не похожи друг на друга?»

Кристаллики льда образуются в турбулентном воздушном потоке, удивительным образом сочетая симметрию и случайность, особую красоту неопределенности в шести направлениях. По мере того как вода замерзает, у кристаллов появляются тонкие кончики, которые постепенно увеличиваются; их границы становятся неустойчивыми – и по краям возникают новые острия. Формирование снежинки подчиняется поразительно тонким математическим закономерностям, и невозможно было предсказать, насколько быстро вырастет кончик кристалла, насколько узким он окажется или как часто будет разветвляться. Целые поколения ученых делали наброски и составляли каталоги узоров: пластинок и столбцов, кристаллов и поликристаллов, игл и древовидных отростков. За неимением лучшего подхода авторы научных трудов упражнялись в классификации кристаллов.

Теперь уже известно, что рост окончаний кристалла, дендритов, сводится к существенно нелинейной проблеме со свободными границами, в том смысле, что модели должны отслеживать динамические изменения сложных извилистых границ[402]. Когда процесс отвердения идет от поверхности внутрь кристалла, как в формочке для льда, граница, как правило, остается устойчивой и плавной; скорость ее формирования определяется тем, насколько быстро теплота может уходить через стенки. Но если кристалл отвердевает с сердцевины, изнутри, как это происходит в снежинке, когда она захватывает молекулы воды, падая в насыщенном влагой воздухе, процесс становится неустойчивым. Любой отрезок контура снежинки, опередивший соседние, получает преимущество, захватывая большее количество молекул воды, и поэтому растет гораздо быстрее – проявляется так называемый эффект громоотвода. Образуются новые ответвления, от которых, в свою очередь, отходят более мелкие.

Трудность заключалась в том, чтобы решить, какие из множества физических сил, задействованных в процессе образования снежинки, следует принять во внимание, а какими вполне можно пренебречь. Долгое время считалось, что наиболее важным является рассеивание теплоты, высвобождающейся при замерзании воды. Но физическая природа тепловой диффузии не могла до конца объяснить те узоры, которые наблюдали ученые, рассматривая снежинки под микроскопом или выращивая их в лаборатории. Не так давно был разработан метод, позволяющий учесть иной процесс, а именно поверхностное натяжение. Сердцевина новой модели снежинки являет собой самую сущность хаоса: хрупкий баланс между стабильностью и неустойчивостью, мощное взаимодействие сил атомарного и обычного, макроскопического уровней.

Разветвление и скучивание. Изучение того, как формируются узоры, вдохновленное фрактальной математикой, связывает такие природные узоры, как вспыхивающий на небе рисунок молнии при электрическом разряде и смоделированное объединение произвольно движущихся частиц (вверху слева).