"В одно мгновенье видеть вечность,
огромный мир в зерне песка,
в единой горсти — бесконечность
и небо в чашечке цветка"
(Уильям Блейк)
Планеты и звезды образуются из хаотически движущихся атомов. Потом они исчезают в хаотических взрывах и возвращаются в космический хаос. Пять тысяч лет люди пытаются понять эти природные циклы. Они даже научились предсказывать некоторые простые явления. Однако до сих пор не удается точно предсказать ни погоду, ни когда наступит следующее землетрясение, ни то, какой народ постигнет участь вымирания.
Не так давно ученые создали теорию, которая объясняет, как непредсказуемое событие вытекает из кажущихся простых правил. Они назвали ее теорией хаоса. Сегодня ученые провозгласили о создании новой теории, объясняющей, как из хаоса может возникнуть порядок. Они назвали ее наукой об антихаосе.
Многие исследователи утверждают, что она может опровергнуть многие существующие теории. Например, огромное скопление рыб в океане может мгновенно превратиться в организованный косяк, поведение которого может рассматриваться как нечто единое целое.
Тысячи птиц, поднявшихся в небо, машут крыльями независимо друг от друга. И вдруг эти бесчисленные произвольные движения каждой птицы превращаются в единое движение всей стаи в любом направлении. Создается такое впечатление, что стая управляется из единого мозгового центра. Как и почему это происходит?
Ускоренная видеосъемка показала, что команда на поворот птичьей стаи распространяется в виде волны за одну десятую долю секунды. Это значительно меньше возможной реакции крыльев птицы. Как сообщения или сигналы типа «повернуть налево» или « повернуть направо» распространяется в этой птичьей стае? Пытались объяснить телепатией.
Однако, как выяснилось, ничего сверхъестественного не потребовалось. Математики открыли, что порядок в стае может возникнуть спонтанно, сам по себе, при взаимодействии большого числа отдельных индивидуумов. Компьютерное моделирование подтвердило реальность такой птичьей стаи. Из хаоса как бы сам по себе возник порядок!
С аналогичными структурами мы сталкиваемся повсеместно – как в природе, так и в обществе. Проявляются они в атомах кристаллических решеток, в коллективном движении муравьев в муравейнике, в эволюции отдельных видов, а также в подъемах и спадах финансового рынка.
Но традиционная наука не в силах объяснить и предсказать все эти явления. Когда хаос порождает некоторую структуру, то это нарушает один из краеугольных законов современной науки – второй закон термодинамики. Этот закон вводит такое понятие, как энтропия и объясняет причину умирания растений.
От высокоорганизованной структуры, такой, какой являются клетки растений, мы переходим ко все увеличивающемуся беспорядку, что связано с постоянным возрастанием энтропии. Первоначально сложная форма исчезает. С тем же правилом мы сталкиваемся повсюду во Вселенной. Горящие звезды, организованное скопление материи, которое назвали « планета» — все это, согласно второму закону термодинамики, когда— нибудь исчезнет. Но в реальности происходит нечто другое.
В то время, как Вселенная движется к своему неизбежному концу, на своем пути она создает интересные структуры. Опираясь на второй закон термодинамики, эти процессы объяснить невозможно. Ученые, изучающие антихаос, пытаются сформулировать положения новой науки о комплексности, пытаются объяснить, каким образом из хаоса возникает порядок. И тут мы подходим к проблеме кризиса современного мировоззрения.
Главный вопрос — это почему возникает что-то, хотя, казалось, ничто не должно возникать. В некотором смысле, это — самый важный вопрос науки. На протяжении последних ста лет физики хорошо почувствовали всеобщую тенденцию движения материи в сторону уменьшения порядка, к распаду. Это и есть энтропия. Но хотя все вокруг разрушается, падают деревья и гниют бревна, но ведь растут новые деревья. Нас окружают звезды, галактика, люди, растения, деревья, животные.
Похоже, что есть какая—то всеобщая «тоска» по порядку, что есть какая—то сила, направленная на порядок вопреки существующему всеобщему хаосу вещей. Утверждают, что физики доказали невозможность существования жизни. Но поскольку жизнь все—таки существует,значит, за этим скрывается нечто сверхъестественное. Второй закон термодинамики просто неверно трактуется. Жизнь ему вовсе не противоречит. Проблемы начинаются в двух случаях:
а) когда начинают смешивать различные понимания беспорядка, и энтропия становится мерой беспорядка вообще;
б)когда понятие энтропии применяется для систем, не являющихся термодинамическими. В обоих этих случаях применение понятия термодинамической энтропии совершенно неправомерно.
Еще один фундаментальный закон — это закон всемирного тяготения, который был открыт И. Ньютоном более 300 лет тому назад. Он позволяет раскрыть многие тайны Вселенной, точно объясняет движение небесных тел. Поэтому с его открытием думали, что удастся объяснить все процессы, происходящие во Вселенной. Такая универсальность позволила найти простые законы, объясняющие самые сложные явления.
Такие законы стали основой многих научных методов, они оказались очень продуктивными. Биологи тщательно исследовали клетки на молекулярном уровне и обнаружили двойную спираль ДНК — саму закодированную жизнь. Физики расщепили атом и обнаружили частицу, произведенную большим взрывом — строительным материалом для всей Вселенной. Но одновременно обнаружилось нечто странное: законы оказались недостаточно хороши. В результате многие важные вопросы оставались без ответа.
Законы Ньютона могут объяснить только те системы, которые мы называем линейными, то есть, когда мы имеем заранее предсказуемый результат. Но совсем иная ситуация возникает, когда мы имеем дело со сложными системами. Кажется, что там эти законы не работают. Например, они не могут объяснить погодные явления - они слишком непредсказуемы. Здесь мы сталкиваемся с феноменом неожиданности (малой вероятности). Он проявляется в том, что компоненты, из которых состоит система, ведут себя иначе, чем вся система в целом. Мы имеем дело с непредсказуемостью, то есть, с признаками «интеллекта».
Глядя на поведение отдельной молекулы в жидкости, трудно что-либо определенного сказать о ее поведении в парообразном состоянии или в состоянии льда при сильном охлаждении воды. Идея неожиданности долго витала в воздухе. При изучении циклонов ученые не раз сталкивались с этой проблемой. Что нам дала наука за последние десять лет?
Начиная с 70-х годов, более доступными стали мощные компьютеры. Они позволили моделировать сложные системы и увидеть, с какими типами поведения систем вообще приходится сталкиваться. Очень часто это вовсе не следует из тех математических выражений, которые были введены в компьютер. Другим фактором стали успехи молекулярной технологии и биологии.
Биологи разделили и рассмотрели отдельные молекулы, которые и составляют основу жизни. Они осознали и сущность жизни во взаимодействии и расположении этих молекул. И они, молекулы, могут быть проанализированы математическими методами. Казалось бы соединилось не соединяемое — абстрактная математика с реальной биологией.
Хаотические системы присутствуют везде: в природе, в обществе и во Вселенной. Но хаос — это не случайность, у него есть и определенная форма существования (пространство хаоса), и степень завершенности (время релаксации в пространстве хаоса). Получается, что пространство хаоса не бесконечно, а время в нем обратимо. Содержание имеет форму, а форма содержательна. Содержание всегда оформлено. Это значит, что хаос обладает конкретным содержанием, структурой.
Организованный хаос — идеальный инструмент для управления сложной системой. Означает ли это, что кратчайший путь к гармонии лежит именно через хаос? Как это ни парадоксально - революционно звучит, но похоже на то, что именно так оно и есть!
Следовательно, организация хаоса — это организация гармоничной, оптимальной в определенном смысле, пространственно — временной структуры. Примером применения организованного хаоса в технике может служить уменьшение степени неопределенности системы с помощью генератора случайных чисел и псевдослучайных последовательностей.
Хаос — один из разделов сложных систем. Понять хаос — это значит понять основу природы сложных систем. Главный вывод состоит в том, что в основе хаоса лежат простые правила. Они могут быть заложены в компьютер и нам удастся проследить за всем тем, что случится дальше. И, несмотря на то, что результат может получиться очень сложным, мы всегда сможем проследить за тем, как, каким образом, он получился.
Фрактальные образы — это самый простой инструмент для познания главного вопроса науки — тайны возникновения жизни. Если бы исходные правила антихаоса были бы сложными, мы бы даже не смогли начать никакой элементарный эксперимент. Видимо поведение молекул связано с влиянием антихаоса. Это происходит не только в лабораторных условиях. С аналогичными явлениями мы сталкиваемся в живой природе. Например, в процессе размножения простейшего организма, когда отдельные клетки соединяются как бы по приказу. В этом проявляется работа молекулярных наномашин.
Замысловатые формы фракталов — это изображение хаоса в работе. Хаос в действии можно продемонстрировать на примере миксера. Правила работы с миксером предельно просты: вы закладываете продукт и нажимаете кнопку. Механизм насадки вращается и начинает вращаться продукт. Что будет с этим продуктом через одну минуту, через 30 секунд, через 5 и 10 минут, через один час?
Именно на этот вопрос стремится дать ответ наука. Хаотические системы присутствуют везде: начиная с дробления капель воды, падающей на землю, до поведения больших водных потоков с турбулентным движением струй.
Но хаос — это не случайность, у него есть определенная форма и конкретное содержание.Любой сложный процесс можно наблюдать с помощью образов, а это значит, что с помощью визуальных образов можно и управлять технологией процесса. Но, как известно, образ образу — рознь. Одни образы являются отражением действительности, т.е.окружающего нас объективного мира, как, например, фрактальные образы, а другие образы, как, например, фантомные образы — продукт галлюцинаций.
Наука опирается на метрические образы, связанные с определенной метрической системой координат. Следовательно, фрактальные образы — это перцептивные метрические образы. В то же время фракталы — это глобальные проекции, исходные и конечные прообразы Вселенной. Фрактальные образы — это самый простой инструмент для познания главного вопроса науки — тайны возникновения жизни.
Если бы исходные правила антихаоса были бы сложными, мы бы даже не смогли начать никакой эксперимент. Например, в лабораторном эксперименте имеются четыре химических соединения, которые смешиваются друг с другом. Мы следим за поведением, например, красных и голубых молекул. И сразу же начинает происходить нечто неожиданное: происходит разделение слоев волн «красного» и «синего».
Это происходит в полном противоречии с ожидаемым процессом случайного смешивания молекул. Вспомним хотя бы «броуновское движение» из школьного учебника. Такая степень порядка, вызванная активностью миллиардов молекул, кажется невероятной!
Ученые считают, что такое поведение молекул связано с влиянием антихаоса. Это происходит не только в лабораторных условиях. Например, в процессе размножения простейших организмов. В результате образуется целостность, называемая «плесневым грибком». На платиновом катализаторе появляется странная структура — расположение молекул.
То, что такие структуры можно обнаружить во многих системах подразумевает, что универсальный принцип организации действует на самом фундаментальном уровне, начиная от компьютерной имитации лесного пожара до поведения маленьких муравьев.
Приходит в голову мысль о том, что у колонии муравьев и других насекомых, живущих не в одиночку наблюдаются удивительно динамичные модели поведения, включающие в себя элементы «разума». Другими словами, мы имеем дело с рациональными элементами.
Муравьи бегут по своим делам и в результате формируется особый порядок. Это похоже на взаимодействие нейронов, совершающих в мозгу несложные функции. Но если мы достаточное их количество соединим и заставим действовать определенным образом, то тогда мы получим поведение самого экстраординарного вида.
Поведение каждого отдельного муравья намного более случайно, более произвольно, чем всей колонии в целом. В сообществе регулярно сменяются периоды активности и пассивности. Периодичность этого ритма — около 28 минут. Почему все муравьи останавливаются и начинают движение одновременно? Им же об этом никто не говорит!
Была предпринята попытка смоделировать эти процессы на компьютере, чтобы попытаться представить простейшую модель, объясняющую такое странное поведение муравьев. Была разработана модель, где муравьи были представлены в виде простейшего автомата. При этом они могли взаимодействовать и двигаться. И сразу же выяснилось, что на первом уровне внезапно возникла колония! Моделирование показало, что без простых форм взаимодействия между муравьями (как и в обществе людей) никакой порядок не возникает.
Компьютерные муравьи не были запрограммированы для того, чтобы действовать как объединяющая группа. Однако им дозволялось произвольно передвигаться, громоздиться друг на друга и возвращаться к активному поведению. На первый взгляд, идея появления порядка из беспорядочного поведения выглядит невероятной. Представьте себе систему из 36 элементов букв латинского алфавита. С завязанными глазами, не зная расположения клавиш, девушка произвольно набирает текст.
Какова вероятность того, что она напечатает какое-нибудь правильное слово? И тем более, чтобы буквы легли так, что в результате мы получим текст шекспировского «Гамлета»? Еще раз повторим эксперимент и проверим, каков шанс в том, что текст этой пьесы в точности повторится еще раз?
Оказывается, в природе такой вид организации может происходить и происходит! Но дает ли теория антихаоса ответ на этот вопрос? Следует понять, что все живое начинается с оплодотворения яйцеклетки, затем проходит ровно 50 циклов деления клетки. Этот процесс называется «клеточной дифференциацией».
Изначально оплодотворенная клетка разбухает, образует 250 различных видов клеток: мышечные клетки, нервные, клетки селезенки, клетки почек и так далее. Очевидно, что у всех клеток конкретного отдельного организма один и тот же набор генов. Всего их около ста тысяч. Клетки отличны друг от друга, так как у них активны разные гены.
Клетка печени образует одну совокупность белков, клетки почек — другую и так далее. Известно, что гены могут включаться и выключаться как инструменты в симфоническом оркестре. Если говорить о геноме, как о совокупности 100 000 генов, которые могут включаться и выключаться, то следует заметить, что пока отсутствует математический аппарат, способный решать задачи такой сложности. Ученые должны разработать новые инструменты, основанные на том положении, что гены могут быть как активны, так и пассивны.
Это состояние генов можно представить в виде лампочек. Для того, чтобы множество лампочек отражало состояние этих генов, они должны подсоединяться к проводам самым простым способом. Самый сложный случай, когда каждая лампочка подсоединяется к другой через переключатель, работающий по определенным правилам.
Правило может быть следующим. Каждая лампочка зажигается лишь в том случае, если загораются две другие (по логической схеме «И — И»). Невероятно, но даже при небольшом количестве лампочек (около 200 штук!) время, необходимое для прохождения цикла в каждом из возможных состояний сети, займет в миллиарды раз больше, чем возраст Вселенной! Как принять такую модель? В таком варианте жизнь, пожалуй, не возникла бы вовсе!
Однако сделаем небольшое упрощение в способе подключения лампочек, а именно, подключив каждую лампочку только к двум другим. Ситуация заметно упрощается! Появляется порядок и стабильность. Наилучший результат получается, если у каждой лампочки есть ввод от двух других лампочек — даже если установить все соединения произвольно и даже, если назначить для каждой лампочки свои правила случайного их включения.
Даже если в сети будет 100 000 лампочек, общее количество состояний системы составит всего лишь около 320! Это число примерно соответствует количеству видов клеток в организме человека. Упрощение соединений уменьшает количество возможных состояний в сети или в геномах.
Чтобы понять, насколько это число мало, следует подсчитать количество возможных состояний, в которых мог бы оказаться упомянутый геном. Оказывается, что это количество состояний может быть описано величиной с тридцатью тысячами нулей! Это невероятная, астрономическая величина!
Теория антихаоса показывает, как это число сочетаний можно было бы упорядочить. Так происходит и в реальной жизни. Если следовать законам природы, то рациональное как бы само по себе стремится к оптимальному. Причем так же естественно, как вселенский хаос — к гармонии и порядку.