О движении вообще

Проблема движения для человека многогранна и остра. Мы ежедневно перемещаем свое тело хотя бы с дивана до стола, часто – от дома до работы, а иногда – в другие города и даже страны. И понимаем, насколько это нелегкое дело – механическое перемещение, оно требует затрат сил и денег.

Есть и другое движение, оно связано с качественными изменениями. Закипающий чайник «движет» воду от жидкости к пару, а холодильник – «в другую сторону», от жидкости ко льду. Заметить это движение можно по изменениям свойств, параметров воды; иногда оно плавное и непрерывное (изменение температуры), а иногда происходит скачком – как при закипании или замерзании воды.

Античные мыслители досократовской поры выделяли еще один вид движения и называли его «существенным». Это изменение обязательно содержало проход через смерть и возрождение. Древняя натурфилософия считала, что это основной вид движения: именно так, через постоянное чередование умирания и возрождения, существует весь мир. Отсюда и представление о спирали – древнем символе времени, и мифы о вечном возвращении, и божества, символизирующие цикличность развития природы, – Осирис в Египте, Персефона, Дионис в Древней Греции, финикийский Адонис и другие.

А что думает о движении наука? Движется ли мир куда-нибудь или вечно пребывает в циклической повторяемости, а то и в неподвижности?

Простой ответ на этот вопрос звучит так: да, в мире есть и движение поступательное, и циклическое, а есть и примеры неподвижности.

Но нас сейчас интересует мир вообще, в целом. Можно ли за множеством актов движения разглядеть что-то общее, тенденцию развития, а еще лучше – цель? Надо сказать, что такие вопросы раньше относились не к науке, а, скорее, к вере, религии или философии. Во времена господства христианской идеологии в Европе бытовали представления о неподвижной Вселенной, созданной Творцом в начале времен. Со времен античности считалось, что планеты и звезды движутся по циклическим повторяющимся траекториям, каждая в своем ритме, и звездное небо являлось идеалом повторяемости «правильных» движений; сама же Вселенная представлялась либо ограниченной сферой неподвижных звезд, либо бесконечной – к этим представлениям вернулись в эпоху Возрождения. Но к XXI в. масштабы научных знаний оказались столь разнообразны, что естествознание рискует ставить и такие вопросы, которые раньше относились только к ведению веры, – в частности, вопросы эволюции, ее сущности, предопределенности, направления и цели.

Большинство исследователей теперь склонно считать, что эволюция все-таки есть и мир в целом изменяется от простого к сложному. Сейчас это кажется само собой разумеющимся, однако за этой тривиальностью стоит вековая борьба идей, которая и сейчас еще не затихла – до сих пор еще время от времени появляются научные группы, исповедующие представления о неподвижности мира в целом или даже о его инволюции – упрощении, деградации.

Что же можно им противопоставить?

От простого к сложному

Трудно отрицать, что мир усложняется, то есть теряет симметрию (по крайней мере, начиная с масштабов, сравнимых с размерами атомных ядер). Действительно, первый этап полной однородности, свойственной первобытному Хаосу, сменился чуть более структурированным, когда были рождены простейшие составные части материи – протоны, нейтроны, электроны, отличающиеся друг от друга. Усложнение химических элементов тоже идет по нарастающей – от простейших водорода и гелия ко все более тяжелым и сложно устроенным. Образование твердых тел – минералов – приводит к дальнейшей утрате симметрии: в атомной решетке появляются выделенные направления, отсутствовавшие в межзвездном газе или расплаве магмы. Появление живых организмов сопровождается хиральной чистотой составляющих их органических соединений – в природе равновероятно могут встречаться молекулы-изомеры различной структуры, а в составе живых организмов используется только один тип структуры. Ряд можно продолжить – но свойства разума, устройство человеческого общества и тому подобные вопросы выходят за рамки естествознания.

Есть ли альтернатива?

Итак, в том смысле, о котором повествует предыдущий раздел, мир движется усложняясь. Но что это – случайное стечение обстоятельств или предопределенность, заложенная изначально?

В истории Вселенной есть этапы, когда, кажется, по-иному и быть не могло. Например, структура элементарных частиц – протонов, электронов – и законы их взаимодействий таковы, что других элементов таблицы Менделеева создать нельзя. Значит, химическая эволюция предрешена и безальтернативна. Законы гравитационного взаимодействия неизбежно приводят к сгущению облаков межзвездного вещества – значит, звезды и планеты обречены на свое возникновение.

Но есть и другие этапы, прохождение которых кажется случайностью. Так, на ранних этапах существования Вселенной произошел «случайный» перекос: частиц материи оказалось немного больше, чем антиматерии (на один миллиард частиц антиматерии приходилась одна лишняя частица материи). Благодаря этому после взаимного уничтожения осталось то, из чего можно было построить звезды, планеты, живых существ и нас с вами – людей, носителей разума.

Или еще один пример. На молодой Земле появилась жизнь. Первые организмы еще не нуждались в кислороде – более того, кислород как сильный окислитель был опасен для них. Но продуктом жизнедеятельности водорослей океана как раз и служил кислород, и его становилось все больше. Возникла опасность гибели только что рожденной жизни. Спасение состояло в полной перестройке системы дыхания живых существ. Эту ситуацию биологи называют первой экологической революцией (во второй мы рискуем оказаться с минуты на минуту).

Загадочно появление жизни. Предположение о случайном соединении атомов, рождающих молекулу ДНК, приводит к чрезвычайно малой вероятности этого события – менее чем 10^–400! Время ожидания одного такого события намного превосходит возраст Вселенной.

Результат эволюции: предопределенность или случайность?

Итак, ответ о предопределенности эволюции не вполне однозначен. И все-таки она существует, и результат ее перед нами, нам остается только восхищаться поразительной сложностью и красотой этого мира. Причем анализ наблюдений говорит о том, что на своем пути Вселенная неоднократно проходила «по лезвию бритвы», чтобы добраться через 14 млрд лет до такого своего сегодняшнего состояния. Этот факт породил представление о том, что, возможно, существует некоторая программа, которой и следует мир в своем развитии. А для того, чтобы добраться до этой программы, обнаружить и понять ее, нужны какие-то новые подходы, более общие, чем изучение структуры, устройства, взаимодействия составных частей материального мира. Интересную аналогию привел физик Ю. Кулаков в одной из телепередач А. Гордона: представьте себе работающий компьютер, выдающий очень разумные результаты. Вы хотите понять, почему это происходит, и разбираете компьютер на детали, изучаете, как в нем проходят импульсы электрического тока и т. п. Получите вы ответ на свой вопрос? Нет, потому что суть этой работы – в программе, управляющей компьютером, и ее не поймешь, изучая только лишь его устройство.

Сегодня выбор между случайностью Вселенной и наличием в ней разумного управляющего начала становится все более трудным; в пользу первого – традиция науки, не позволяющая изобретать лишних сущностей без надобности, а в пользу второй – поразительная, непредставимая сложность существующего мира. Жак Моно, французский биолог, лауреат Нобелевской премии, комментирует эту ситуацию так: «Мы нашли объяснение чуду, но от этого оно стало еще более удивительным». Как пишет об этом Мориак, «то, о чем говорит этот профессор, является еще более невероятным, чем то, во что мы, бедные христиане, верим». Принятие гипотезы случайности приводит к признанию бессмысленности существования человека и Вселенной. Позиция Ж. Моно определена: «Теперь, наконец, человек знает, что он одинок в огромной, безучастной к нему Вселенной, где он случайно возник». И следующая его фраза звучит пессимистически: «Ему самому выбирать между царством Света и Тьмой», – действительно, эти понятия в таком случае просто выдуманы нами и не могут давать ориентиров развития. Другой нобелевский лауреат, физик Стивен Вайнберг, любуясь чарующей красотой Земли из иллюминатора самолета, пишет: «С трудом можно себе представить, что все это – лишь мизерная часть давящей и враждебной Вселенной», хотя и признает, что такой взгляд на мир противен природе человека: «Человек не может не верить в то, что между ним и Вселенной существует особая связь и что жизнь – не только гротескное завершение ряда случайностей».

Возражая сторонникам случайности, физик Фриман Дайсон замечает, что их позиция совершенно несовременна: «Именно в XIX в. было установлено табу на любую, даже робкую попытку установить связь между наукой и моралью во время страшного конфликта, который противопоставил биологов-эволюционистов, возглавляемых Томасом Гексли, и священников во главе с епископом Вильберфорсом… Для биологов больше не существует аргумента в пользу первопричины. Они выиграли сражение. Но, увы, одержав эту горькую победу над духовенством, они создали новую догму, согласно которой Вселенная лишена смысла». Он указывает на ряд новых положений современной физики, свидетельствующих о тесной взаимосвязи наблюдателя и процессов, происходящих в атомах, и делает вывод: «Правда то, что наш приход во Вселенную был случайным, но сама идея случайности нужна нам только для того, чтобы скрыть наше невежество. Я не чувствую себя посторонним во Вселенной. И чем больше я наблюдаю за ней, тем больше я нахожу доказательств того, что она ожидала нашего прихода».

Цель эволюции. Антропный принцип

Наука XX в. подарила миру еще одну удивительную концепцию, получившую название антропного принципа. Научная реконструкция эволюционного пути, пройденного Вселенной от своего начала до сегодняшнего космического великолепия, поражает воображение, с одной стороны, своей невероятностью и сложностью, а с другой – разумностью и гармоничным сочетанием противоположностей. Это привело некоторых ученых к заключению, что существование человека является не только не случайным, но и необходимым условием существования Вселенной. Вселенная должна быть такой, чтобы в ней на некотором этапе ее эволюции было возможным появление человека. Эту фразу можно понимать либо как констатацию факта, что довольно тривиально, либо как требование ко Вселенной; именно эта вторая трактовка, по словам доктора философских наук В. В. Казютинского, очень неожиданна тем, что от природы что-то требуется. Такой подход весьма непривычен для естествознания.

Подобное понимание антропного принципа, конечно, настораживает. Получается, что цель существования Вселенной – создание человека. Это противоречит давней философской традиции, известной еще со времен Платона. Согласно этой традиции, целью, к которой следует стремиться, является Космос, понимаемый как мир, управляемый идеальными законами. И как мы уже отмечали, наилучшее воплощение этих законов человек видел в движении звездного неба. А теперь предлагается, чтобы Вселенная «смотрела» на человека?

Было бы весьма самонадеянным утверждать, что мы сейчас можем однозначно выбрать какую-то одну из сформулированных точек зрения. Но ведь наше познание Вселенной еще только начинается – ей уже более 13 млрд лет, а науке – всего несколько сотен.

Самоорганизация в сложных системах

Последняя фраза предыдущего раздела, конечно, не вдохновляет – всем нам нужно знать всё и прямо сейчас, а не ждать неопределенное число столетий для получения окончательных ответов на заданные вопросы. Но мы не сильно погрешим против истины, если согласимся, что именно для этого – давать ответы, основываясь не на всеобщем, всеобъемлющем знании, а на наблюдении за доступной частью действительности – и изобретена была наука. И кое в чем преуспела.

Так, одна из черт науки XX века – отход от поиска законов, выполняющихся в простых системах в идеальных условиях, к анализу сложных систем, состоящих из большого числа составляющих, взаимодействующих между собой. Изучение таких систем позволило заметить, что их характерной чертой является самоусложнение, самоорганизация, выражающаяся в потере симметрии, – как раз то, о чем мы говорили как о направлении эволюции. В ходе исследования удалось понять общие механизмы самоорганизации, определить условия, в которых идет образование структур в среде изначально бесструктурной и, казалось бы, даже не содержащей зерен этих будущих структур.

Выяснилось, что для усложнения необходимы нелинейность, открытость, неустойчивость и неопределенность.

Нелинейное поведение системы противоположно «линейному», когда малым изменениям условий соответствуют малые изменения ее состояния. Примером нелинейного поведения являются скачки, разрывы, бесконечный рост значений параметров системы за конечные времена и т. п. Открытость системы означает, что она обменивается с окружающей средой веществом, энергией, информацией. Неустойчивость связана с тем, что незначительное внешнее воздействие на систему может существенно изменить ее эволюцию (движение). Неопределенность выражается в некотором «дрожании» параметров среды или системы вокруг некоторого среднего значения (флуктуаций параметров).

В развитии таких сложных систем, как оказалось, есть периоды, когда их движение предопределено достаточно жестко, однако рано или поздно возникают этапы, в которых их структура разрушается, «тонет в хаосе», и рождается новая. Такие периоды обновления системы сходны по своей сути с «проходом через смерть и возрождением», то есть с этапами античного «существенного движения». Интересно, что грубые модели, описывающие ситуации смены структур, предсказывают несколько возможных вариантов будущего. Попытка использовать более подробные модели для предсказания однозначного будущего не приводит к успеху из-за неустойчивости модели. Здесь существенно возрастает роль неопределенности, случайных флуктуаций.

Примером такой системы может служить маятник в виде грузика, подвешенного на стальном стержне: грубая модель предписывает его колебание согласно законам механики. Но если расположить его грузиком вверх в положении неустойчивого равновесия, то дальнейшее его движение должно описываться моделью, учитывающей колоссальное число факторов – например, взаимодействие всех молекул грузика, стержня, точки подвеса и окружающей воздушной среды. На его дальнейшее движение могут оказать влияние совершенно незначительные (в другие этапы движения) явления: человек, прошедший мимо лаборатории и качнувший точку подвеса, открытая форточка и т. п. Описать все это мы не в состоянии – и говорим о случайности выбора дальнейшего пути движения.

Исследование законов развития сложных систем говорит о том, что в природе далеко не все возможно. Есть разрешенные сценарии, а есть и невозможные. Однако как происходит выбор между тем, что в принципе возможно? Тот или иной выбор, осуществляемый системой, объясняют сейчас действием флуктуаций.

Признание флуктуаций фундаментальным свойством природы опять возвращает нас к вопросу о роли случайности в развитии мира. Что это – абсолютно неуправляемое явление, выбрасывающее тот или иной результат как при игре в кости, или механизм выполнения «задуманного природой»? Однозначного ответа наука на этот вопрос пока не дает – но кто знает, что нас ждет впереди?..

 

Алексей Чуличков, д-р физ. – мат. наук, МГУ