Почему эта книга может показаться вам интересной

Наш мир состоит из множества разнообразнейших вещей: некоторые из них созданы человеком — дома, автомобили, инструменты, картины и т. п., — но остальные сотворены Природой. Для ученого этот мир вещей является миром структур, упорядоченных в соответствии со строгими закономерностями. Если направить телескопы на неизмеримые дали космического пространства, мы увидим спиралевидные туманности, подобные изображенным на фотографии (рис. 1.1). Здесь хорошо различимы спиральные рукава, благодаря которым туманность и получила свое имя. В этих газовых туманностях рождаются новые солнца — невообразимое количество новых ярких солнц. Наше Солнце и наша Земля тоже принадлежат такой туманности — Млечному Пути, хорошо видному на небе в ясные ночи. Наше Солнце — лишь одно из ста миллиардов солнц, входящих в Млечный Путь. Земля вместе с другими планетами вращается вокруг Солнца по орбитам, подчиняясь строгим законам небесной механики.

Рис. 1.1. Спиралевидная туманность

Упорядоченные структуры можно обнаружить не только в космосе. Оглядитесь вокруг, и вашему взору откроется бесконечное разнообразие таких структур: приведем в качестве примера исполненную благородства форму самой обыкновенной снежинки (рис. 1.2). Живая природа вновь и вновь поражает нас своим изобилием, причем формы, в которых оно выражается, могут быть порой совершенно невероятными. На иллюстрации 1.3 вы видите увеличенное изображение глаза тропической мухи: он располагается на особом стебельке, растущем на голове мухи. Упорядоченная структура, напоминающая пчелиные соты, в высшей степени функциональна: благодаря такому строению глаза муха обладает совершенной системой кругового обзора. Гармония, присущая многим животным и растениям, часто приводит нас в восхищение. Немыслимое разнообразие форм, наблюдаемых в природе, завораживает то своей исключительной целесообразностью, то — вспомните о великолепии цветов — игривой беспечностью и причудливостью.

Рис. 1.2. Снежинка

Рис. 1.3. Глаз тропической мухи Diopsis ihoracica. Обратите внимание на гексагональную структуру поверхности глаза.

Однако в изумление нас повергают не только неподвижные структуры, подобные вышеупомянутым. Не меньший восторг могут вызвать танец, исполненный грации, или красота бега лошади. Жизнь человеческого общества тоже демонстрирует немалое разнообразие структур: как в политической (например различные формы государственного устройства), так и в чисто духовной сфере человеческой деятельности обнаруживается структурированность — в языке, в музыке и, наконец, в науке. Таким образом, мир вокруг нас изобилует всевозможными структурами: начиная с тех, которые мы встречаем в природе, и заканчивая теми, что присущи разумной жизни; мы настолько привыкли к структурам, что зачастую уже не осознаем, каким чудом является само их существование.

Люди прошлых веков воспринимали все это как проявление божественной воли и подтверждение тому — история создания нашего мира, изложенная в Ветхом Завете. Наука тоже долгое время была занята лишь вопросами строения — но не возникновения! — структур, существующих вокруг нас. Интерес к тому, каким же образом могли возникнуть все эти структурные образования, появился и окреп только в новейшее время. Если наука желает избежать необходимости всякий раз для объяснения сути вещей обращаться за помощью к сверхъестественным силам и актам творения, она первым делом должна объяснить природу самозарождения и развития структур — иными словами, суть процессов самоорганизации.

 

Стремление к созданию единой картины мира

Если мы, осознавая все бесконечное разнообразие окружающих нас структур, решим выяснить, как же они возникли, то окажемся перед невыполнимой, на первый взгляд, задачей. Уже попытки каким-либо образом классифицировать обнаруженные структуры потребовали (и продолжают требовать) огромных затрат времени и сил многих поколений исследователей — возможно ли пройти этот путь до конца? да и стоит ли овчинка выделки? Действительно, будь строение каждой отдельной структуры подчинено особым, свойственным ей одной, законам, нечего было бы и думать о том, чтобы описать все это в одной книге — для этого потребовалась бы целая библиотека невообразимых размеров.

Здесь на сцену выходит идея, являющаяся, собственно, движущей силой всякой науки. Наука призвана не просто собирать фактический материал, но и стремиться создать целостную картину мира, целостное мировоззрение. Особенно ярко это стремление проявляется в области естественных наук — например в физике, химии или биологии, — однако не менее известны и попытки, предпринятые философами. Все мы хорошо знаем о поисках физиками фундаментальных законов мироздания. Механика Исаака Ньютона (1643-1727) и его закон всемирного тяготения дают нам возможность описать движение планет вокруг Солнца — движение, для которого в древности не существовало единого объяснения. Благодаря Джеймсу Клерку Максвеллу (1831-1879) нам стало известно, что свет представляет собой не что иное, как электромагнитные колебания, подобные радиоволнам. Альберту Эйнштейну (1879-1955) удалось связать тяготение, пространство и время. Химик Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907) впервые упорядочил многообразие существующих в природе веществ, создав периодическую систему химических элементов. В современной атомной физике периодическая система Менделеева может считаться воплощением основного закона строения атомов. В биологии, в соответствии с открытыми Менделем законами, происходит передача от поколения к поколению наследственных признаков при скрещивании, к примеру, растений с различной окраской цветков. Уже в наше время были обнаружены химические механизмы такой передачи, происходящей благодаря гигантским молекулам дезоксирибону-клеиновой кислоты (ДНК).

Как показывают эти примеры (а их количество можно было бы многократно умножить), человечество неустанно ищет и находит все новые и новые законы, единые для всех происходящих в природе процессов.

В то время как явления самого разнообразного свойства усилиями ученых сводятся, наконец, воедино как проявления неких законов природы, исследователи обнаруживают совершенно новые факты, касающиеся еще более сложных явлений, и порой наука оказывается близка к полному погребению под лавиной добываемых учеными сведений. Отсюда — бесконечная «гонка», борьба между потоком новых фактов и стремлением ученых эти факты систематизировать, понять и соотнести с действием единых законов мироздания.

 

Анализ и синтез

Какими же, собственно, возможностями для изучения структур и протекающих в них процессов мы располагаем? Излюбленным и, пожалуй, используемым чаще прочих способом является разложение изучаемого объекта на все более мелкие составляющие. Так физик обнаруживает, что кристалл (к кристаллам мы еще вернемся в главе 3) состоит из атомов, атомы же, в свою очередь, разделяются на меньшие элементы — протоны и электроны. Одно из важнейших направлений современных физических исследований связано как раз с изучением «элементарных» частиц (кварков и глюонов), которые, вполне возможно, все еще не являются последними, «наиэлементарнейшими» частицами материи. Биолог препарирует клетки ткани, добираясь до составляющих их элементов: клеточных мембран и ядер, а затем и далее — до биомолекул. Перечень такого рода «разложений» можно дополнить примерами из других отраслей науки... да и сама наука, собственно, тоже уже «разложена» на математику, физику, химию, и т. д. — вплоть до социологии и психологии.

Метод разложения на составляющие уподобляет исследователя ребенку, получившему в подарок игрушечный автомобильчик: стремясь разобраться в том, что заставляет машинку двигаться, малыш разбирает ее на составные части — что, в общем-то, обычно удается сделать без особого труда. Заканчивается это исследование чаще всего тем, что ребенок, плача, сидит перед кучей деталей, будучи не в состоянии ни понять, почему же все-таки двигался автомобиль, ни собрать детали обратно, вернув игрушке былую целостность и работоспособность. Так ребенок приближается к пониманию смысла фразы «целое — это всегда больше, чем сумма его составляющих», или, воспользовавшись словами Гёте, «Вот части все в его руках, однако им — увы и ах! — недостает духовной связи!» Для науки это означает следующее: даже разобравшись в общих чертах со строением исследуемой структуры, мы — прежде чем заняться ее «разложением» — должны еще понять, каким образом взаимодействуют друг с другом отдельные элементы, составляющие данную структуру. В дальнейшем мы увидим, насколько тесно это связано с вопросом о возникновении структур. Этими вопросами как раз и занимается синергетика. Само слово «синергетика» происходит от греческого корня (как это часто случается с научными терминами) и означает «наука о взаимодействии». Мы вместе с читателем уже задавались вопросом о том, возможно ли существование единых законов в мире, где царит разнообразие, — законов, позволяющих понять саму природу возникновения структур. Звучит все это, конечно, довольно абстрактно; нельзя не упомянуть также и о том, что точный ответ возможен только в рамках математической теории, область же применения его весьма обширна, что и было мною обнаружено. С другой стороны, именно разнообразие многочисленных примеров, имеющихся в нашем распоряжении, дает нам возможность представить основные процессы с максимальной наглядностью, а отнюдь не абстрактно. Начнем мы с самых простых примеров из механики, но это, разумеется, не означает, что картина мира, которую я намерен представить читателю, окажется механистической. Язык, к примеру, также содержит множество понятий, «заимствованных» из механики. Вдумайтесь, скажем, в слово «равновесие». Перед вашим мысленным взором, скорее всего, предстанут весы, на обеих чашах которых лежат некие предметы одинакового веса, — именно таков изначальный смысл этого слова. Весы неподвижны и уравновешены, т. е. находятся в равновесии. И если то же слово используется для описания душевного равновесия, никому, очевидно, не придет в голову заявить, что наши представления о духовной жизни человека механистичны. Хотелось бы, чтобы читатель вспоминал этот пример как можно чаще: ведь в книге рассматриваются не только структуры, существующие в материальном мире, но также и те, что относятся к миру идей — например к процессам, протекающим в экономике или культуре.

 

Противоречат ли биологические структуры основополагающим законам природы?

Физика имеет полное право считаться основой естествознания, ведь предметом ее изучения является материя, а так как весь окружающий нас мир материален, то и подчинен он законам, открытым физиками. Однако подобное представление о физике существовало отнюдь не всегда — по крайней мере, среди биологов. Приверженцы витализма выдвигали свою точку зрения: они считали, что всем живым существам свойственна присущая только им совершенно особая жизненная сила. Сегодня, после того как химические процессы удалось описать в терминах физических теорий (касающихся природы химических связей и строения атома), уже едва ли найдутся люди, сомневающиеся в том, что ту же операцию возможно проделать и с процессами биологическими. Подчеркнем — в принципе, так как за этой, на первый взгляд, простой фразой скрывается, как мы позднее увидим, целый комплекс весьма непростых проблем.

Остановимся пока на прежнем — довольно, надо сказать, наивном — утверждении о применимости физических законов к биологии. Еще несколько лет назад, принимая всерьез тезис о том, что биология непосредственно сводима к физике, можно было очень быстро запутаться в возникающих при этом противоречиях. Тогда любой физик на вопрос о том, согласуется ли идея самозарождающейся жизни с основополагающими законами физики, должен был бы честнейшим образом ответить «нет». Почему? Да потому, что основной закон физики — а точнее, термодинамики — гласит, что наш мир последовательно и неумолимо оказывается во власти хаоса: все упорядоченные функциональные процессы должны в конце концов прекратиться, а все порядки — нарушиться и распасться.

Единственный выход из этого тупика многим (и среди них немало компетентных физиков) виделся в том, чтобы рассматривать возникновение в природе упорядоченных структур и состояний как некую грандиозную флуктуацию, вероятность которой, согласно теории, настолько ничтожна, что такой флуктуации и случиться-то не должно было. Идея была поистине абсурдной, однако — как тогда казалось — в рамках так называемой статистической физики единственно приемлемой.

Почему физики столь твердо верили в разрастающийся хаос, будет подробно рассказано в главе 2. Мы увидим, что именно физика и создала первую лазейку, ход для отступления от строгих законов, сделав исключение из правил для таких структур, как, например, кристаллы. Но кристаллы, как известно, не являются живыми существами — они принадлежат миру неживой природы, а происходящие в них процессы не имеют ничего общего с процессами жизнедеятельности. Таким образом, утверждая, что биологические процессы основаны на физических законах, но само возникновение жизни противоречит основополагающим физическим законам, физика зашла в тупик. Выбраться из заколдованного круга помог счастливый случай. Обнаружилось, что у физиков имеется в распоряжении превосходная модель процесса образования до некоторой степени «живого» упорядочения материи, причем возникающий при этом порядок строго соответствует всем физическим законам и — более того! — оказывается возможен исключительно благодаря существованию этих законов. Речь идет о лазере — новом типе источника света, ставшем в последнее время широко известным. Этот пример демонстрирует возможность самоорганизации в неживой материи и возникновения в результате вполне рациональных процессов. Здесь мы сталкиваемся с совершенно замечательной закономерностью, которая красной нитью проходит по всему, что связано с феноменом самоорганизации.

Отдельные элементы системы организуются, словно управляемые невидимой рукой, с другой же стороны, системы, взаимодействуя друг с другом, непрерывно создают эту невидимую руку (рис. 1.4). Назовем такую организующую невидимую руку «организатором». Однако, похоже, мы снова попали в замкнутый круг?

Рис. 1.4. Этот рисунок М.Эшера, изображающий две руки, рисующие одна другую, — иллюстрация фундаментальной проблемы самоорганизации: параметр порядка (одна рука) обуславливает поведение отдельных элементов (другая рука), но при этом его собственное поведение определяется поведением этих самых элементов

Наш «организатор», по сути, является результатом взаимодействия отдельных элементов системы, однако он же и руководит поведением этих отдельных элементов. Напоминает древнюю задачку: что было раньше — курица или яйцо? (О петухе почему-то даже не вспоминают.)

На языке синергетики происходящее описывается следующим образом: параметр порядка подчиняет себе элементы системы. Параметр порядка похож на мастера-кукольника, управляющего марионетками: он заставляет их танцевать, но и они, в свою очередь, имеют над ним власть и оказываются способны им управлять. В дальнейшем мы убедимся, что принцип подчинения играет в синергетике центральную роль. Однако уже сейчас хотелось бы подчеркнуть, что термин «принцип подчинения» не несет в себе абсолютно никакой эмоциональной нагрузки, и его следует воспринимать совершенно нейтрально. Принцип этот выражает лишь определенный тип взаимосвязи и не имеет ничего общего с подчинением или порабощением в этическом смысле. Так, например, можно сказать, что представители какого-нибудь народа подчинены своему национальному языку.

Исследуя различные явления сначала в физике, затем в химии и, наконец, в биологии с точки зрения, предполагающей существование принципа подчинения и параметра порядка, я снова и снова сталкивался со следующей закономерностью: процессы образования структур всегда протекают в определенном направлении, однако вовсе не в том, какое предсказывает термодинамика, и отнюдь не в сторону увеличения «разупорядоченности». Напротив: элементы системы, прежде неорганизованные, приходят в состояние определенного порядка, и порядок этот подчиняет себе их поведение.

В дальнейшем мы увидим, что та неизбежность, с которой из хаоса возникает порядок, ничуть не зависит от материального субстрата, ставшего сценой для наблюдаемого процесса. В этом смысле лазер ведет себя совершенно так же, как и облачная формация или группа клеток. Очевидно, мы имеем здесь дело с проявлением одного и того же феномена. Есть все основания предполагать, что эта же закономерность действительна и в нематериальной сфере.

В качестве примера обратимся к социологии: поведение целых групп людей оказывается вдруг подчиненным некоей новой идее, будь то свежее веяние в моде, новое духовное течение в культурной жизни, новое направление в живописи или же новый литературный стиль.

Очевидно, что, исследуя эти закономерности, мы вполне можем приблизиться к разгадке многих тайн Природы. Как, к примеру, удается Природе создание все более и более сложных видов живых существ? Как удается некоторым из этих видов победить в борьбе за существование и вытеснить другие виды? И с другой стороны: каким образом, несмотря на жесточайшую конкуренцию, различным видам все же удается выжить и даже больше: самим своим существованием стабилизировать существование другого вида? Рассматривая в этом свете выглядевшие прежде разрозненными феномены, мы начинаем воспринимать их как примеры проявления единой закономерности. То, что до сих пор казалось загадочным, необъяснимым или даже парадоксальным, вдруг становится совершенно ясным. Мы обнаруживаем, что коллективное поведение множества отдельных индивидуумов (будь это атомы, молекулы, клетки, животные или люди) и, в конечном счете, их собственная судьба определяется ими же самими в ходе их взаимодействия друг с другом: через конкуренцию, с одной стороны, и кооперацию — с другой. Правда, при этом они часто выступают не столько в роли ведущих, сколько ведомых.

В этом смысле синергетику можно рассматривать как науку о коллективном поведении, организованном и самоорганизованном, причем поведение это подчинено общим законам. Когда какая-нибудь наука заявляет об универсальности своих законов, это тотчас же вызывает весьма важные последствия. Синергетика опирается на очень разные дисциплины, среди которых не только физика, химия и биология, но также социология и экономика; можно поэтому ожидать, что открытые и описанные синергетикой закономерности уже так или иначе будут представлены в различных областях науки, и у нас появится возможность увидеть возникновение в свете синергетики новой, единой картины мира, составленной, подобно мозаике, из множества отдельных, собранных наукой фактов.

Не следует забывать и о другом следствии нашего заявления. Из истории науки хорошо известно, насколько опрометчиво рассматривать законы как универсальные. Часто случается так, что законы природы, открытые и доказанные в одной области науки, в рамках дальнейших исследований и при применении в других дисциплинах оказываются весьма приблизительными или даже совсем утрачивают свой смысл: так, например, ньютоновская механика является лишь приближением к механике теории относительности Эйнштейна. Классическая механика, описывающая движение макроскопических тел, при переходе в микроскопический мир должна уступить место квантовой механике. В этом смысле и синергетика — в силу того что ее область применения значительно шире — приходит на смену термодинамике. С другой стороны, и сама синергетика может иметь ограничения. Чтобы пояснить это, необходимо четко отделить те результаты, которые синергетика на данный момент уже получила, от ее конечной цели — открытия закономерностей, лежащих в основе самоорганизации систем, изучаемых различными науками. Синергетике уже удалось обнаружить некоторые общие закономерности такого рода, исследуя самые интересные случаи возникновения в природе структур или радикального изменения состояния макроскопических систем. Но что в данном случае означают слова «радикальный» и «макроскопический»? Вместо долгих объяснений используем примеры, которые помогут читателю составить об этих понятиях недвусмысленное представление. В примерах у нас нет недостатка, и я надеюсь, они введут читателя в курс дела, одновременно познакомив его и с основами синергетического подхода, и с его результатами.

Все жизненные процессы, начиная с внутриклеточных и заканчивая теми, что происходят в человеческом обществе, неизменно связаны и даже переплетены друг с другом, причем все участвующие в этих процессах элементы прямо или опосредованно взаимодействуют между собой. Таким образом, мы постоянно имеем дело с чрезвычайно сложными, комплексными системами. Увеличивающаяся плотность населения и использование передовых технологий приводят к тому, что сложность окружающего нас мира безостановочно возрастает, а вместе с этим возрастает и необходимость понять, от чего зависит поведение комплексных систем. Книга, которую вы читаете, посвящена синергетике — науке, дающей ключ к такому пониманию. Комплексная система похожа на толстую книгу: чтобы по-настоящему понять ее, полностью проникнуть в ее содержание, нужно прочесть эту книгу целиком. Но как быть, если времени на это не хватает? Тогда мы можем действовать по-разному: например, читать книгу выборочно или найти кого-то, кто сможет кратко изложить нам ее содержание. Но и здесь есть сложность: каким образом будет отобран материал для этой выборки или изложения? Ведь подходы к такому делу могут быть очень разными. Для кого-то в книге важнее всего любовная интрига, другого заинтересует представленная там социальная среда. И наконец, саму книгу ведь тоже можно описать одним или несколькими определениями типа «исторический роман» или «детектив».

Остальные оценки столь же неоднозначны; что, к примеру, отличает бестселлеры от книг, годами пылящихся в витринах? И если человеческий мозг (и даже все мозги всех ученых на белом свете, вместе взятые) способен воспринять и усвоить лишь очень ограниченное количество информации, то не следует ли нам поступить с комплексными системами так же, как поступают с чересчур толстой книгой? Заняться только тем в комплексных системах, что для нас важно, значимо — заняться поисками того, что называется релевантной информацией.

Однако даже если мы сумели бы собрать все необходимые данные, это не улучшило, а скорее даже ослабило бы наши способности к суждению: мы перестали бы различать за деревьями лес. Едва ли найдется пословица, более точно передающая суть проблемы, связанной с изучением комплексных систем. Мы должны отбросить маловажные детали. Мы должны научиться видеть и постигать целостность взаимосвязей. Мы должны снизить — «редуцировать» — степень сложности системы.

Как показывает синергетика, релевантную информацию о комплексных системах можно получить, исследуя параметры порядка, которые особенно наглядно проявляются при макроскопических изменениях в поведении системы. Вообще говоря, эти параметры порядка представляют собой величины долгоживущие, они подчиняют себе другие, не столь «живучие», величины, и примеров тому можно привести множество.

Если там, где порядок возникает из хаоса или один порядок сменяется другим, действуют общие закономерности, то всем этим процессам должен быть присущ определенный автоматизм. Если мы научимся распознавать такие закономерности и в области экономики, социологии и политики, нам станет проще справляться с жизненными трудностями. Мы сможем, к примеру, понять, что некое направленное против нас действие основано не на заговоре против нас; люди просто ведут себя определенным образом, подчиняясь некоей модели коллективного поведения. Осознание автоматизма подобных процессов может даже привести к тому, что он начнет работать на нас, а не против нас. Подобно тому, как использование принципа рычага может помочь нам поднять непосильный вес, применение принципов синергетики может помочь достичь серьезной цели без излишних затрат. В этом смысле мы можем воспользоваться открывшимися нам тайнами Природы с большой для себя выгодой.

Наблюдая за живой природой, мы снова и снова убеждаемся в том, что она сумела и должна была суметь так далеко уйти по пути развития именно потому, что источники жизни и жизненные ресурсы не являются неисчерпаемыми — все, чем располагает Природа, ограничено и конечно, и все природные процессы ограничены, допустим, временем точно так же, как и мы с вами. Но именно эта ограниченность и ускоряет развитие в природе, ведет к появлению все новых и новых видов живых существ. Я полагаю, что отнюдь не случайно наибольшее развитие цивилизация получила в тех местах на Земле, где не царит вечное лето и не свирепствует столь же вечная зима.

При знакомстве с синергетикой — как и в случае с любой другой наукой — представляется разумным начать с рассмотрения самых простых процессов, а уж затем переходить к более сложным. Поэтому мы начнем с примеров из физики и химии, а затем обратимся к экономическим наукам, социологии и методологии. Нет ничего нового в идее перенесения методов и опыта, полученных на простых примерах, в область более сложных явлений. Так, скажем, в социологии и экономических науках разрабатываются модели, сходные с моделями в физике и широко использующие физическое понятие «энтропия», являющееся мерой для хаоса.

Достижения современной физики послужили основой для нового мышления сначала в самой физике, а затем и в других науках. К примеру, сегодня совершенно изменился научный взгляд на структуру общества, которая прежде рассматривалась как система, пребывающая в статическом равновесии. Структуры возникают, распадаются, конкурируют между собой или кооперируют друг с другом, объединяясь и создавая новые, большие структуры. Мы находимся сейчас в поворотной точке истории: в мышлении человека происходит поворот от статики к динамике.

Прежде чем перейти к рассмотрению всех этих вопросов, мы должны разобраться с главным возражением физики против структурообразования: с принципом увеличения неупорядоченности.