Тайны природы. Синергетика: учение о взаимодействии - [40]

Возможно, еще более драматический взгляд на хаос и порядок выражен знаменитым художником М. Эшером в картине, которая так и называется — «Хаос и порядок» (см. рис. 2.3). В центр картины помещен кристалл абсолютно правильной формы, а пространство вокруг этого кристалла заполнено каким-то мусором вроде черепков, осколков, пустых консервных банок и прочего в этом роде. Кристалл со всей очевидностью воплощает собой порядок, мусор же вокруг символизирует хаос. В данном случае хаос статичен — в противоположность определяемым нами как хаос явлениям природы, пребывающей в вечном движении. Вообще, слово «хаос» рекомендуется употреблять со всей осмотрительностью: даже в науке хаос хаосу рознь. Во-первых, здесь существует уже давно известный «микроскопический хаос». С этим понятием читатель уже неоднократно сталкивался — например при описании нами света обычной лампы или неупорядоченного движения отдельных молекул газа. Новым может оказаться понятие о «детерминированном хаосе», называемом также коротко просто «хаос», в связи с чем может возникать — и часто возникает — множество недоразумений.

Детермированный хаос, который поначалу рассматривался всего лишь как случайно проявляющаяся странность, сегодня предстает перед нами как стереотип поведения многих систем, исследуемых синергетикой. Вспомним несколько уже упоминавшихся примеров.

При движении нагреваемой снизу жидкости — в зависимости от температуры горизонтального слоя — возникают совершенно различные конфигурации. По прошествии нескольких этапов, на которых образуются упорядоченные структуры, в жидкости начинается совершенно беспорядочное движение: она, как говорят специалисты, становится турбулентной. Сегодня мы с полным правом можем предположить, что вихри, возникающие при этом в жидкости, подчиняются законам хаотической динамики.

Аналогичную картину можно наблюдать, следя за кольцами табачного дыма. В воздухе они деформируются, и в конце концов наступает момент, когда дым движется уже совершенно хаотично — движение становится турбулентным. При определенных химических реакциях возникают пространственные или временные макроскопические структуры — например периодические переходы от синего цвета к красному и т. д.

Химики и раньше имели возможность наблюдать подобные переходы от красного к синему, происходящие через весьма неравные промежутки времени; наблюдаемую нерегулярность переходов было принято относить на счет недостаточно тщательно подготовленных реагентов, и это объяснение скрыло за собой вполне очевидную истину. Теперь, после того как феномен, обозначаемый как «хаос», стал общепризнан, химики состязаются в получении и опубликовании новых результатов исследования временных и пространственных структур, возникающих в ходе такого рода реакций. Кроме того, появляются предсказания относительно возможной турбулентности лазерного света. Волновые цуги, испускаемые лазером, абсолютно хаотичны, но характер этой хаотичности оказывается совершенно иным, нежели в свете обычной лампы: своего первооткрывателя ждет новый тип света.[13]

Идея хаоса не обошла стороной и биологию и сделала понятными прежде необъяснимые явления, осветив их подобно вспышке. Например, существуют популяции насекомых, численность которых из года в год совершенно неравномерно колеблется. Теперь созданы модели, с помощью которых эти колебания можно стало обработать математически; в главе 13 мы займемся этой темой подробнее.

Относительно всех этих феноменов, которые большинству людей представляются на первый взгляд чем-то доселе невиданным, можно привести цитату из Ветхого Завета: «Нет ничего нового под солнцем».

Действительно, уже на рубеже девятнадцатого и двадцатого веков французский математик Жюль Анри Пуанкаре (1854-1912), занимаясь вычислениями в области небесной механики, открыл возможность хаотического движения. Изучая модель звездной системы, имеющей два солнца и всего одну планету, Пуанкаре обнаружил, что такая планета может двигаться по немыслимо сложной траектории, в чем-то схожей с траекторией футбольного мяча, ускоряющегося от случайных ударов. Здесь мы сталкиваемся с дилеммой, вечно стоящей перед наукой. Движение планеты происходит согласно как нельзя более строгим законам механики, однако выглядит при этом совершенно хаотичным.

Пример с планетой, вращающейся вокруг двух солнц, показывает нам, что даже очень простая механическая система может оказаться способна на весьма сложное движение.

Прежде движение планет в Солнечной системе по вечным и неизменным эллиптическим орбитам вокруг Солнца — в полном соответствии с законами ньютоновской механики — воспринималось как нечто само собой разумеющееся; теперь, в свете современных представлений, подобная стабильность кажется уже загадочной. Многие великие ученые занимались этой проблемой, пытаясь ответить на вопрос, поставленный в девятнадцатом веке королем Швеции: «Является ли наша Солнечная система устойчивой? возможно ли, к примеру, что некоторые планеты в конце концов столкнутся с Солнцем, а остальные окажутся выброшенными, извергнутыми из системы?» Речь, как мы видим, идет о процессах, имеющих непосредственное отношение к закону сохранения энергии и импульса в механике.