Хакен - тайны природы

многое из того, что сегодня приписывают теории хаоса, уже было открыто

иисследовано в рамках синергетики.

Вкниге появились также главы, посвященные нейрокомпьютерам и синергетическим компьютерам, которые открывают новый путь к объяснению феномена человеческого восприятия. Здесь же проясняются и существующие между синергетикой и теорией гештальта взаимоотношения, о которых уже упоминали Петер Крузе и Михаэль Штадлер, а также автор настоящей книги. Чтобы представить все новые результаты, полученные благодаря использованию синергетических законов, потребовалось бы издать целое собрание научных трудов: свидетельство тому — насчитывающая уже сейчас 63 тома серия книг, выпускаемая издательством Springer. Естественно, в рамках столь небольшого по объему издания мне часто приходилось ограничивать себя лишь короткими ссылками — например, на новые теории управления. Некоторые актуальные направления исследований представляются чрезвычайно многообещающими, однако они настолько новы, что, пожалуй, им пока еще не место в книге, рассчитанной на широкого чи-

тателя. Сюда можно отнести работы Г. Шипека, В. Чахера, Э. Й.Бруннера и других авторов, занимающихся исследованиями в области клинической психологии и психиатрии или анализом, с точки зрения синергетики, поведения групп на автомобильном производстве, как это делает Рут Байзель. За рамками книги оказались и те чисто технические направления, которые могут заинтересовать лишь специалистов, оставив других читателей равнодушными — например, исследования новых полупроводниковых элементов, основанных на синергетических принципах и называемых синисторами.

Из этих коротких пояснений читатель, очевидно, уже получил представление о том, насколько живой и гибкой наукой является синергетика: здесь может обнаружиться множество важных связей между такими отраслями знания, которые на первый взгляд кажутся никак не связанными друг с другом. Я не поддался искушению превратить это карманное издание в энциклопедию; гораздо важнее для меня было при помощи отобранных примеров донести до читателя смысл основных понятий синергетики и показать, как эти понятия снова и снова становятся фундаментом для интерпретации процессов самоорганизации.

Прошедшее десятилетие принесло нам множество удивительных открытий, сделанных благодаря использованию принципов синергетики, и я не сомневаюсь в том, что исследователи самоорганизующихся комплексных систем находятся еще только в самом начале долгого интересного пути.

12ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРЕРАБОТАННОМУ ИЗДАНИЮ

Яблагодарен госпоже Ирмгард Мёллер за быструю и тщательную работу при подготовке дополнений к этой книге, а также доктору Марку Нейфельду и г-ну Андреасу Даффертсхоферу — за работу с новыми иллюстрациями.

Предисловие к первому изданию

Природа — и прежде всего, растительный и животный мир — вновь и вновь поражает нас разнообразием своих форм и изяществом их структур, взаимодействие отдельных элементов которых исполнено глубочайшего смысла. Прежде люди видели во всем этом проявление божественной сущности. Сегодняшняя наука ищет в первую очередь ответы на другие вопросы: как возникают эти структуры? какие силы порождают их? Еще совсем недавно казалось, что подобная постановка вопросов — подразумевающая, помимо прочего, самозарождение структур — противоречит всем физическим принципам. Настоящая книга призвана произвести поворот в нашем мышлении, причем начнем мы с осознания того, что и в мире неживой природы новые упорядоченные структуры могут возникать из неупорядоченного хаоса и сохраняться неизменными при наличии постоянного притока энергии. В книге читатель найдет в высшей степени наглядные этому подтверждения из физики и химии: например, принцип действия лазера, возникновение ячеистых структур в нагреваемой жидкости, химические спиральные волны. Как становится ясно уже из названных примеров, процессы образования новых структур подчинены неким всеобщим закономерностям. Это позволяет нам перейти к более сложным проблемам, например к вопросу о том, каким образом происходит рост животных клеток, или о том, как взаимоотношения отдельных коммерческих предприятий могут определять общую экономическую картину, или же попытаться разобраться в том, по каким правилам происходит формирование общественного мнения. Каждый из перечисленных процессов характеризуется тем, что в нем принимает участие огромное количество отдельных элементов, так или иначе взаимодействующих между собой, и взаимодействие это исполнено глубокого смысла. Мы, таким образом, имеем дело с комплексными системами, которые можно рассматривать с разных точек зрения: и исследуя поведение и функции отдельных элементов таких системы, и занимаясь преимущественно системами в целом. В первом случае следует исходить из того, что закономерности, в соответствии с которыми существует та или иная система, определяют — подобно правилам игры — поведение отдель-

ных ее элементов, что, в конечном счете, и порождает некий шаблон или эталон поведения; процесс этот очень выразительно описан в книге Манфреда Эйгена и Рутхильд Винклер «Игра» {Piper, 1976).

Синергетика — иначе, «наука о взаимодействии» — идет другим путем. Здесь нас зачастую интересуют не отдельные «правила», определяющие образ действия элементов системы, а общие законы, по которым формируются структуры. И хотя всякое сравнение хромает, все же рискнем прибегнуть к метафоре, проведя аналогию с игрой в шахматы. Мы можем снова и снова играть в шахматы, следя при этом за движением фигур на доске; но мы можем и попытаться предсказать исход игры, что в данном случае оказывается совсем не сложно: либо победа достанется белому королю, либо черному, либо ни тому, ни другому (такую никому не принадлежащую победу принято называть «ничьей»). Хотя последовательность отдельных ходов может быть в высшей степени сложной, общий результат игры можно описать буквально в трех словах. То же относится и к исследуемым нами образованиям: нас прежде всего интересуют общие шаблоны, эталонные структуры, образующиеся в результате сложных процессов. Применимость полученных нами данных о коллективном поведении не ограничивается областью чистого научного знания, они имеют самое непосредственное отношение к нашей повседневной — как экономической, так и общественной — жизни. Однако настоящая книга не предлагает готовых решений. Она, скорее, предназначена для придания мышлению некоторого толчка, а отнюдь не представляет собой патентованное руководство к действию. Более того, мы даже выдвинем в качестве тезиса положение о том, что однозначные решения зачастую невозможны, и докажем это, пролив вместе с тем свет на саму сущность конфликтов и способов их преодоления.

Внастоящее время синергетика находится в стадии бурного развития, о чем свидетельствует как растущее число международных конференций,так

ито, что синергетика пользуется столь надежной финансовой поддержкой со стороны государства. Издательство Springer выпускает серию научных трудов «Springer Series in Synergetics», целиком посвященную синергетике. Целью же данной книги должно стать знакомство широкого круга заинтересованных читателей с новой, увлекательной областью науки.

Внаше время много говорят об «ответственности ученых перед обществом». На мой взгляд, наука и общество живут в неразрывном симбиозе, и общество так же жизненно необходимо науке, как и наука обществу; каждый шаг, ведущий к их сближению, безусловно, важен, однако ученому не так-то просто «отдать свой долг» — и дело тут, конечно, не в отсутствии

доброй воли, а скорее в том, что язык науки (а особенно — математики) настолько отличен от общепринятого, «разговорного» языка, что перевод с одного языка на другой становится весьма и весьма непростой задачей. Несмотря на это, я хотел бы подчеркнуть, что описываемый и исследуемый какой бы то ни было наукой процесс только тогда можно считать абсолютно понятым учеными, когда о нем можно рассказать, используя лишь слова «разговорного» языка, не прибегая к формулам. Именно необходимость быть понятым не только специалистами и дает ученому шанс увидеть предмет своих исследований во всей полноте его взаимосвязей с окружающим миром.

Янадеюсь, что мое изложение основ новой науки даст каждому, кто прочтет эту книгу, возможность использовать знание тайн Природы с пользой для себя и во благо всему человечеству.

Яхочу выразить благодарность своей жене за критическое прочтение рукописи и ценные предложения, способствовавшие улучшению книги. Я благодарен также госпоже Урсуле Функе за быструю и безупречную подготовку рукописи и за ее старание и энтузиазм, которые очень помогли мне благополучно дописать до конца эту книгу.

Яблагодарен и сотрудникам издательства Deutsche Verlags-Anstalt —

ав особенности доктору Лебе и г-же Локе — за активное сотрудничество.

ГЛАВА 1

ВВЕДЕНИЕ И ОБЗОР

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.

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 —

Рис. 1.1. Спиралевидная туманность

вспомните о великолепии цветов — игривой беспечностью и причудливостью.

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 дезоксирибонуклеиновой 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 приро-