«Эротика текста»: Как из хаоса возникает порядок? Рецензия на книгу «Ритм Вселенной»

Внимание: Издательство МИФ любезно предоставляет всем читателям Concepture Club одноразовую скидку в 15% на весь заказ по специальному промокоду Locator. Переходим по ссылке, вводим промокод в специальное поле и получаем долгожданную скидку. 

Ключ от всех дверей

Слыша выражение «синхронное плавание», человек прекрасно понимает, о чем идет речь: несколько спортсменок стараются одновременно выполнять одни и те же движения. Но тот же человек редко задумывается, что же значит синхронизм в его собственной жизни и жизни общества. Что уж говорить о Вселенной. Стивен Строгац своей книгой открывает нам глаза на всю сложность и красоту феномена синхронизма, а также на его невероятно важную роль практически во всём. Стивен Строгац небезызвестен среди любителей научно-популярной литературы. Краткое представление автора на его личном сайте (http://www.stevenstrogatz.com/) гласит, что он: 

«Математик, который работает в сфере нелинейной динамики и комплексных систем, а также часто занимается вопросами, вдохновленным интересными фактами повседневной жизни».

Он любит искать следы математики там, где вы их меньше всего ожидаете увидеть, а затем использовать их, чтобы пролить свет на загадки жизни, большие и маленькие. Например: почему так трудно уснуть за несколько часов до обычного времени отхода ко сну? Когда Вам случается разговориться с незнакомцем, сидящим рядом с Вами в самолете, почему так часто можно выяснить, что у вас есть общий знакомый? Что скручивание резиновой ленты может нам сказать о ДНК?

Строгац – лауреат многочисленных премий, талантливый преподаватель и интересный собеседник. Среди его многочисленных премий есть премии и награды именно за преподавательскую деятельность, что чрезвычайно важно для популяризатора науки, ведь чтобы что-то объяснить аудитории, не имеющей специального образования, только знаний и даже, возможно, гениальности автора недостаточно. Кроме всего прочего, его приглашали провести лекцию на платформе TED, которая известна тем, что там часто выступают интересные, вдохновленные и вдохновляющие личности.

Держа в руках книгу Строгаца «Ритм Вселенной», задумываешься: что же такого интересного в понятии синхронизма, которое, казалось бы, на интуитивном уровне доступно всем? Достойна ли эта проблема целой книги? Такой вопрос может возникнуть в сознании непосвященного, но, прочитав «Ритм Вселенной», любой сомневающийся поймет – достойна. Оказывается, исследование синхронизма может дать нам ключ к пониманию даже… хаоса. Странное заявление? Стивен Строгац так не думает и убеждает в этом читателей на страницах своего научно-популярного произведения.

От светлячков до сердечных ритмов

Осознанно или неосознанно многие люди так или иначе восхищаются синхронизмом: нас завораживает танец группы танцоров, движения которых синхронизированы, симфоническая музыка, которая может звучать только при условии идеальной синхронизации игры всех участников оркестра и многое другое. Стивен Строгац же начинает свою книгу с описания тоже красивого и согласованного, но более загадочного для повседневного мышления явления: синхронного мерцания светлячков.

Такое явление наблюдали исследователи в Юго-Восточной Азии, на африканском континенте и даже в национальном парке США «Грейт-Смоки Маунтин». Что заставляет множество светлячков посылать световые импульсы практически одновременно друг с другом? У них нет дирижера, который помогает музыкантам поддерживать синхронность, нет у них и разума в нашем понимании, чтобы самостоятельно ориентироваться на других и волевым усилием согласовывать свои действия с их мерцанием.

Светлячки выступают в роли осцилляторов, которые загадочным образом согласуют свои циклы. На самом деле, мы окружены разнообразными осцилляторами и речь идет не только о насекомых. К примеру, клетки-ритмоводители сердца тоже являются синхронизированными осцилляторами, рассинхронизация которых грозит человеку смертью.

Ученые не могли пройти мимо такой загадки, но, чтобы исследовать какой-либо вопрос во всей его глубине, им часто приходится начинать свой путь с довольно грубых, но эффективных приближений.

От сложного к простому и обратно

Живой организм, пусть даже такой небольшой как светлячок, слишком сложен, чтобы использовать его как отправную точку для начала работы над столь комплексной проблемой. Но, к счастью, синхронизация существует не только на уровне живых организмов: ученым приходят на помощь механические осцилляторы, поведение которых гораздо проще предсказать и формализовать. К примеру, хорошо всем известные маятники – это тоже осцилляторы, и они демонстрируют способность к синхронизации. Впервые такую способность механических приборов к синхронизации зафиксировал еще Гюйгенс, когда в течение нескольких дней был вынужден оставаться в постели и следил за двумя маятниковыми часами, висящими на стене его спальни.

Примечательно, что эти часы он изобрел сам примерно за десять лет до описываемого события, причем для своего времени они были самыми точными. И все же, лишь вынужденное затворничество дало ему возможность увидеть всю необычность их поведения – они синхронизировались друг с другом. Впрочем, в этом нет ничего удивительного. Легко не придать значения единичному случаю, особенно, когда смотришь на вещи поверхностно.

Однако, хороший ученый никогда не брезгует даже тем, что обычному человеку кажется пустяком. Стоит только задуматься глубже обычного, как становится понятно, что явление синхронизма в неживой природе, даже в случае такой простой механической системы как маятниковые часы, поражает воображение еще более, чем мерцание светлячков и гармоничное пение хора, составленного из десятков людей.

У маятника нет сознания, как у человека, у него нет даже возможности принимать зрительный или звуковой сигнал, хотя этой возможностью обладают светлячки, значит, стремление к синхронизму существует на таком элементарном уровне, что ему подчиняются даже довольно грубые механические системы.

Начинались исследования синхронизма с самой простой модели из двух, связанных каким-либо образом механических осцилляторов, которые, естественно, предполагались абсолютно идентичными друг другу, то есть они были не только одинаковыми в плане конструкции, но и циклы у них были идентичны по всем параметрам, кроме точки на траектории их движения, с которой они изначально приводились в движение.

Исследователи запускали осцилляторы одновременно, но из разных положений. Синхронизация достигалась с поразительным постоянством. Были даже созданы термины «хорошие» и «плохие» точки: если запускать осцилляторы с «хороших» точек, то синхронизация достигается, если же с «плохих» – осцилляторы остаются в состоянии рассинхронизации. Но таких плохих точек настолько мало, что, как пишет автор: «плохие точки занимают нулевую площадь», поэтому их почти невозможно выбрать и синхронизацию можно назвать гарантированной.

Даже на этой простой модели процесс возникновения порядка из кажущегося хаоса начальных состояний захватывает дух. Конечно, сегодня ученые работают с неизмеримо более сложными моделями. В этом им неоценимую помощь оказывают компьютеры, однако не следует думать, что компьютеры выполняют всю работу – они помогают генерировать графики, анализировать данные, но вся грандиозная работа по встраиванию этого кирпичика в здание науки лежит на людях.

Такие люди должны обладать необычайно развитым воображением, кроме чисто профессиональных знаний. Как сказал когда-то Давид Гильберт об одном из свои бывших учеников: «Он стал поэтом, для математики у него было слишком мало воображения».

С места – в карьер

Здравый смысл приучает нас думать, что почти все происходит постепенно. Постепенно из принесенного песка растут дюны, постепенно строятся города и пишутся книги. Было бы естественно, если бы синхронизация тоже достигалась бы постепенно. Но это не так: синхронизация достигается при резком «фазовом» переходе. Как пишет Строгац:

«Прогноз заключается в том, что степень синхронизации должна повышаться резко, а не постепенно, при превышении определенного (критического) значения либо силы связи, либо разброса частот».

То есть синхронизация имеет ту же загадочную особенность, что и замерзание воды, когда при достижении определенной температуры молекулы воды начинают выстраиваться в кристаллическую решетку, происходит переход от одной термодинамической фазы к другой.

Что-то подобное наблюдается и среди рассинхронизированных осцилляторов – они тоже совершают фазовый переход. Всегда есть та капля, которая переполняет чашу и меняет систему до неузнаваемости. Здесь следует упомянуть имя Есики Курамото, который «не только заметил этот фазовый переход, но и смог вывести точ­ную формулу для него».

Если задуматься о глобальности явления синхронизма и о его значении в вопросе о том, как из хаоса возникать порядок, можно понять Строгаца, когда он пишет:

«Аспект, кото­рый интересовал меня больше всего, касался возникновения порядка из хаоса случайности. Каким образом системе, состоящей из миллионов частиц, удается спонтанно организовать себя? В этом вопросе заключалось нечто мистическое. В нем звучали даже религиозные нотки, напоминающие мне библейскую исто­рию рождения земной тверди из чего-то совершенно бесформенного и аморф­ного или, как называли это состояние древние греки, из хаоса».

Может ли кто-то господствовать над хаосом?

Само слово «хаос» загадочно, но привлекает не только его романтическая, «бунтарская», природа: уже давно ученые начали пристально вглядываться в него, стремясь осмыслить и выделить хотя бы самые общие признаки, которые бы позволили нам говорить о его организации и существовании в нем какой бы то ни было системы. И, как это ни странно, кое-что они все-таки узнали. Например, что полный беспорядок – это не синоним хаоса, так как даже на современном этапе развития науки удалось разглядеть в самых простых хаотических системах начала порядка.

Наверняка все слышали о так называемом «эффекте бабочки». Название этого эффекта было взято из заглавия статьи Эда Лоренца «Предсказуемость: мо­жет ли взмах крыльев бабочки в Бразилии вызвать торнадо в Техасе?», опубликованной в 1979 году. Строгац пишет:

«Идея заключается в том, что в любой хаотической системе даже небольшие возмуще­ния нарастают с высокой скоростью, по экспоненциальному закону, что обуслов­ливает невозможность долгосрочных прогнозов».

Казалось бы, это означает, что у нас нет абсолютно никаких шансов уловить порядок в хаосе и тем более синхронизировать две хаотические системы. Ключевое слова здесь – «казалось». На самом деле, ученым удалось найти хитроумный способ синхронизировать две хаотические системы и не просто для того, чтобы показать эксперимент заинтересованным коллегам, а чтобы использовать этот эффект в практических целях, конкретно – для шифрования сообщений. Однако, как выяснилось позднее, этот вид шифрования далеко не самый надежный.

Собственно, Строгац весьма доходчиво рассказывает об этом в главе 7 «Синхронизированный хаос». Читая такие пояснения, понимаешь, за что ему неоднократно присуждали награды, как выдающемуся преподавателю. Тебя не загружают формулами и точными определениями, но в голове формируется интуитивное понимание довольно сложного явления.

Ученым также удалось выяснить, что движение в хаотической системе вовсе не беспорядочны, перемещение точки (допустим, значения y от х) образует фигуру, которую называют «странный аттрактор». Строгац пишет:

«Сочетание бесконечно большого множества поверхностей — этот странный аттрактор — воплощает в себе новый вид порядка. Несмотря на то что «маршрут» траектории непредсказуем в деталях, он всегда остается на ат­тракторе, всегда пролегает через одно и то же подмножество состояний».

По странной иронии судьбы, очертания странного аттрактора похожи на крылья бабочки.

Синхронизм в нас

Глава третья этой книги описывает явления на более понятном уровне – речь в ней идет о более ощутимых или, точнее, макроскопических явлениях синхронизации, которые переживаем все мы ежедневно и ежечасно. Глава называется «Сон и ежедневная борьба за синхронизацию» и раскрывает некоторые неочевидные факты об очевидных явлениях.

Если пытаться обобщить содержание третьей главы, то стоит сказать следующее: каждого из нас можно рассматривать как осциллятор. Невероятно сложный осциллятор, который сам является комплексом других сложных осцилляторов. Но, благодаря тому, что целое не является всего лишь суммой частей, то и это целое можно рассматривать так, как если бы оно было изначально простым и обладало бы ограниченным списком характеристик.

Возьмем человека как такое обобщенное целое и вместе с автором рассмотрим явления синхронизации, которое это целое демонстрирует. Наиболее заметным циклом в нашей повседневной жизни является цикл сна и бодрствования. Его Строгац и подвергает всестороннему рассмотрению в главе III. Каким бы случайным не казался ритм сна и бодрствования отдельного человека, это тоже цикл, подчиняющийся определенным закономерностям и синхронизирующийся с окружающим миром посредством сложного и еще не до конца изученного механизма.

Ученые выдвигают предположение, что задатчиком ритма сна и бодрствования является не просто свет Солнца, который мы воспринимаем абсолютно сознательно, а его непосредственное воздействие через особую «выделенную линию связи» напрямую с задатчиком ритма, с тактовым генератором, если желаете, на роль которого выдвигают так называемые супрахиазматические ядра.

Также в этой главе можно узнать об экспериментах, в которых люди намеренно изолировали себя от воздействия внешнего мира, будь то в пещере или в лаборатории, для исследования того, что произойдет с циклом сна и бодрствования в отсутствии внешних стимулов, указывающих на время суток. Результаты показали, что даже в таком состоянии организм поддерживает цикл в несколько измененном, но узнаваемом состоянии.

Не ВОЛНуйтесь, берегите сердце

Однако, бессонница, которая иногда может возникнуть в результате нарушения синхронизма, ничто по сравнению с другой опасностью, которой рассинхронизация грозит человеку: клетки-ритмоводители сердца обычно поддерживают исключительно слаженную работу, но есть гипотеза, согласно которой при их рассинхронизации возникают спиральные и свиткообразные волны, которые вызывают тахикардию и вентрикулярную фибрилляцию, иногда приводящую даже с виду здоровых людей к смерти.

Об этом и об усилиях ученых смоделировать и понять характеристики этих коварных волн Строгац пишет в восьмой главе «Синхронизм в трех измерениях». Математики, рука об руку с врачами, работают над исследованием этих сложных и непредсказуемых процессов, чтобы в один прекрасный день спасти кому-нибудь жизнь.

Сознание – продукт синхронизма?

Явление синхронизма, как читатель уже может начать подозревать, демонстрирует свою важность для жизни человека не только в уже упомянутых случаях. На самом деле, каждый человек – это огромный оркестр, составленный из музыкантов с самыми разными инструментами и характерами, и мы живем, пока нашему внутреннему дирижеру, кем или чем бы он ни был, удается руководить всей этой иногда непредсказуемой компанией.

Наш сон, сердцебиение, считывание информации с ДНК и последующее производство протеинов и других необходимых нам веществ немыслимы без синхронизма. Некоторые ученые даже строят теории, объясняющие сознание на основе синхронизма. Так, Кристоф Кох и Фрэнсис Крик (тот самый Крик – один из ученых, открывших двойную спираль ДНК) утверждают, что «сознание предполагает син­хронизированную активизацию нейронов на миллисекундном уровне».

Синхронизм вызывает множество вопросов: Какова роль синхронных химических процессов в восприятии самого себя как личности? Какова физическое природа сознания? Как пишет Строгац:

«Никто не может ответить на эти вопросы, но было бы верхом справедливости, если бы Кох и Крик оказались правы, поскольку, если сознание представляет собою побочный продукт какой-то разновидности нейронного синхронизма, то сами по себе размышления о синхронизме — чем я, собственно говоря, занимаюсь уже на протяжении трехсот с лишним страниц этой книги, — колоссальный по своей значимости акт синхронизма как такового».

Не сотвори кумира

Итог этой насыщенной и интересной с многих точек зрения книги автор подводит так: «синхронизм позволяет достичь глубокого понимания многих явлений, начиная с сердечной аритмии и заканчивая сверхпроводимостью, начиная с циклов сна и заканчивая устойчивостью единой энергосистемы». Но также не следует забывать, что «синхронизм — это лишь малая часть научной мысли в целом».

Хотя даже от этой «малой части» захватывает дух. Стоит только подумать, что, возможно, всё, что мы сейчас называем порядком, уже содержалось в том, что мы называем первозданным хаосом. Что жизнь не случайным образом зародилась в «первичном бульоне» в результате слепого блуждания и соударения первых простейших органических молекул, а ее возникновение было неизбежным, как была неизбежна синхронизация часов, висящих на стене в спальне захворавшего Гюйгенса. Не удивительно, что ученых не перестанет манить загадка возникновения порядка из хаоса и Строгац резюмирует:

«Возможно, мы инстинктивно догадываемся, что если бы мы нашли источник и первопричину этого самопроизвольного порядка, то нам удалось бы открыть главную тайну мироздания».

Человек никогда не сможет противиться соблазну разгадывать все новые загадки, хотя и знает, что после очередного ответа, вырванного с боем у неизвестности, его ждет еще больше вопросов. Но это наша природа и нам остается только искать те пути, для которых лучше всего приспособлены наши ноги. Строгац пишет, что на идею заняться синхронизмом серьезно его подтолкнула чистая случайность, благодаря которой в его руки попала книга Арта Уинфри «Геометрия биологического времени» («The Geometry of Biological Time»).

Это был своего рода фазовый переход системы «Стивен Строгац», в то время находившейся в состоянии рассинхронизации –  в поисках темы для дальнейших исследований, в устойчивое состояние работы над интереснейшим вопросом. Кто знает, возможно, для кого-то из читателей эта книга тоже сможет стать недостающим элементом, который поможет совершить фазовый переход к важной и интересной работе.

Стоит ли читать?

Безусловно, стоит. Книга написана не просто ученым, а человеком с явным преподавательским талантом и это может почувствовать каждый читатель. Автор организовывает нам увлекательную экскурсию, в которой даже привычные вещи открываются в качестве неиссякаемого источника загадок и удивления. В этой рецензии упомянуто всего несколько из множества интересных вопросов, раскрытых на страницах книги; без сомнения, все смогут найти то, что их заинтересует – настолько многогранна эта книга.

Если Вам интересна социология – рекомендуем эту книгу. Если Вам интересна биология – рекомендуем эту книгу. Если Вам интересна физика, в частности, теория сверхпроводимости и массивы контактов Джозефсона – тоже рекомендуем к прочтению эту книгу. Что же говорить о математике? Она и есть тот холст, на которой Строгац нарисовал свою детализированную и красочную картину под названием «Ритм Вселенной».