Сборник статей - Чего не знает современная наука

Это непреложный наблюдательный факт, он удивителен, он непонятен. Это парадоксально. Начало XXI века, мы многое умеем, но мы понимаем только 4 % всего, из чего состоит Вселенная! Если о прошлом Вселенной можно говорить сколько-нибудь уверенно, потому что у нас есть астрономические наблюдения галактик и реликтового излучения, то о будущем Вселенной надо говорить с большой осторожностью. Прошедшие пять лет убеждают, что свойства пространства могут быть настолько сложными, непонятными, и через пять лет может оказаться, что все устроено еще тоньше. Хотя я думаю, что здесь работает принцип дополнительности, и ни один из экспериментов, ни одна из новых концепций не отменяет предыдущие.

Уверенно можно сказать только одно – каждое новое глобальное открытие в космологии ставит больше вопросов, чем дает ответов на уже существующие. Это и является важной движущей силой познания мира.

Константин Постнов, д-р физ. – мат. наук, МГУ

По материалам доклада на научном семинаре «Нелинейные системы»

Самоорганизация – творчество природы

Древние истины: «время вспять не воротишь», «нельзя дважды войти в одну реку»… Доктор Фауст со своей мечтой об утраченной юности… Время нам кажется рекой, чье мощное течение неумолимо уносит вдаль все, что попадает в ее воды, но в своих водоворотах рождает все новые и новые формы мира. Появившаяся в последней четверти XX века теория нелинейных динамических систем позволяет по-новому взглянуть на вечные вопросы о предопределенности и случайности, найти механизмы творчества природы.

Всем нам знакомы ситуации, когда порядок, с любовью наведенный в нашей квартире, несколько дней спустя сменяется хаосом, а замок из песка, выстроенный на берегу моря, через несколько минут превращается в бесформенный холмик, от которого на следующий день не остается и следа. Сложные механизмы рано или поздно ломаются и требуют ремонта. За этими явлениями наука разглядела общий принцип, строгая формулировка которого носит название второго начала термодинамики. Его смысл упрощенно можно пояснить так: в системе, предоставленной самой себе, все меняется от порядка к беспорядку.

Этот закон, открытый в XIX веке, несмотря на столь очевидные примеры своего действия, вызвал целую бурю в науке. Дело в том, что ни известная в те времена механика Ньютона и Галилея, ни электродинамика Максвелла не отличают прошлого от будущего: теоретически движение тел по траекториям возможно как в одну сторону, для этого надо лишь поменять направление скорости на противоположное. При этом движение происходит так, как будто бы время поменяло свой бег на обратный. То же можно сказать и об электромагнитных волнах. Второе начало термодинамики утверждает, что все изменения в мире подчинены определенной тенденции; иными словами, время течет только в одну сторону, и повернуть его вспять невозможно, ибо тогда будет нарушено непреложное правило, столь же незыблемое, как закон сохранения массы или энергии.

Вплоть до первой половины XIX века обратимость времени считалась колоссальным достижением разума, идеальным выражением объективности науки. Вот они, истинные законы природы: в них все симметрично, а кажущаяся необратимость – всего лишь следствие субъективности нашего восприятия действительности!

Однако трудности такой концепции непреодолимы. Разбитая ваза не собирается в целую, люди сначала рождаются, живут и потом умирают, и никогда не бывает наоборот, – хотя и ваза, и человек состоят из мельчайших частичек, подчиняющихся законам механики, электродинамики и другим, для которых прошлое и будущее симметричны. Откуда же тогда возникает выделенность течения времени, и где берут начало те явления и объекты нашего мира, которых не было в прошлом? И можно ли вообще адресовать такие вопросы науке, которая идет путем разума и опыта? Ведь с древних времен для объяснения причин и целей существования обращаются к вере, а не к разуму.

Современная нелинейная динамика объясняет механизмы, приводящие к необратимости времени, двумя фундаментальными свойствами, присущими сложным системам. Первое из них состоит в том, что любая сложная система проходит в своем развитии этапы неустойчивости – своего рода кризисы, сопровождающиеся неоднозначностью выбора дальнейшего пути. Второе – в том, что любое сложное движение содержит как составную часть случайную, непредсказуемую «дрожь», так называемые флуктуации.

Законы классической механики просты и обратимы только для относительно простых систем, например, для одной планеты, вращающейся вокруг Солнца. Однако движение под действием сил тяготения уже трех тел чрезвычайно сложно и характеризуется как хаотическое. Воспроизвести его можно только теоретически, даже если абсолютно точно задать начальное расположение и скорость, так как самые малые изменения положения тел приводят к тому, что траектория их движения очень сильно изменяется.

Идея наложения на детерминированное поведение системы случайного, непредсказуемого воздействия имеет богатую историю. Еще в античности Лукреций использовал флуктуации для описания падения атомов в пустоте. К таким же по сути идеям пришел и Эйнштейн для объяснения спонтанного испускания света возбужденным атомом. Случайность лежит и в основе интерпретации построений квантовой механики.

Невозможность обращения времени, например, в механической системе теперь может объясняться следующим образом. Заменив в какой-то момент времени скорость всех частиц на противоположную, мы тем не менее не добьемся точного их движения в обратном направлении – как бы из будущего в прошлое – по прежним траекториям, так как благодаря флуктуациям мы никогда не достигнем абсолютно точного задания нужной начальной конфигурации. Неустойчивость же приведет к тому, что траектории движения частиц не будут даже отдаленно похожи на ожидаемые.

Если бы все в мире менялось только от порядка к беспорядку, разрушая и сглаживая все формы и структуры, то довольно скоро любые проявления жизни во Вселенной прекратили бы свое существование – все вещество равномерно заполнило бы космическое пространство, выровнялась бы его температура и наступила «тепловая смерть». Но, к счастью, все имеет свою противоположность, и тенденцию, предписываемую вторым началом термодинамики, уравновешивает другая, упорядочивающая. Под ее действием однородная, полностью беспорядочная картина сменяется упорядоченной, структурированной. Из хаотического теплового движения молекул вдруг возникают турбулентные вихри, а из лишенных структуры скоплений межзвездного вещества, достаточно простого по своему составу, рождаются звезды, производящие в своих недрах сложные химические элементы; возникает жизнь; появляются новые виды растений и животных. В последние десятилетия эти явления объединились под общим названием «самоорганизация».

Изолированным, замкнутым системам свойственно стремление к однородности, выравненности, одинаковости, в то время как противоположная, упорядочивающая тенденция – это свойство систем, активно обменивающихся со своим окружением энергией, массой и т. п. В таких системах структуры возникают за счет динамического равновесия между потоками извне и обусловленным вторым началом термодинамики рассеянием внутри системы.

Концепция самоорганизации тесно связана с теорией эволюции. В системе, непрерывно снабжаемой энергией, некоторые конфигурации способны воспринимать и использовать поступающую энергию лучше, чем другие. Вследствие рассеяния и потерь энергии последние постепенно исчезают, в то время как первые могут компенсировать свои потери и даже расти, так как они как бы настроены на одну волну с законами эволюции, находятся в резонансе с вибрациями природы и своей структурой улавливают главное направление развития.

Такие умозаключения повторяют ход рассуждений Дарвина и свидетельствуют о том, что принцип выживания приспособленных применим не только к биологической эволюции.

Самоорганизация возникает в системах сама по себе, она не управляется никакими импульсами извне, а появляется как следствие внутреннего устройства системы. Рассмотрим, например, цепочку, составленную из последовательно соединенных элементов, имеющих два состояния равновесия, и будем считать, что на них может влиять лишь соседний элемент, причем тогда и только тогда, когда соседние элементы находятся в разных состояниях. Пусть исходное состояние всех элементов – одно и то же и при возбуждении крайнего элемента он переходит из исходного метастабильного состояния в другое, абсолютно стабильное, и принуждает к этому своего соседа. В результате по цепочке распространяется волна переключения, существующая без какого-либо управляющего вмешательства. Небольшим усложнением элемента среды можно добиться того, что в цепочке будут распространяться уединенный импульс (так называемый солитон – одногорбая волна), либо стоячие или бегущие волны.