Пушистые логарифмы

Андрей Анатольевич Сафонов

Он провел меня через сквозной подъезд школы на каменное крыльцо с античными колоннами. С крыльца открывался вид на поле, где паслись странные пушистые существа, похожие на каких-то инопланетных овец.– Вот они, наши логарифмы.– Логарифмы???– Да, показатели, чтобы при возведении в них нижний становился верхним. Тот, что есть, превращался в того, кем должен стать. Приглядись – тут сокрыто много тайн.

Узоры хаоса

Нелинейное время для творчества

Что такое время, человечество пыталось понять на протяжении всей своей истории. Парменид, к примеру, видел все подверженное изменениям полностью иллюзорным, Платон считал время движущейся вечностью, а Кант — формой нашего восприятия, превращающей непостижимый мир «вещей в себе» в привычную нам реальность. Всех концепций не перечесть, однако примерно с XVII века в массовом сознании доминирует то понимание времени, которое возникло в физике Ньютона, а потом начало захватывать все новые научные области.

Математически подход Ньютона сводился к тому, что любой процесс в природе можно описать интегрируемым дифференциальным уравнением. В переводе на общечеловеческий язык это означало: любой процесс абсолютно предсказуем — зная, где находится материальная точка, будь то планета или частица, мы сможем с помощью соответствующего уравнения узнать, где она будет через час, год и т. п. Вселенная в описании Ньютона напоминала огромные часы, где от стрелки не стоило ждать никаких сюрпризов.

Постепенно эта парадигма превратилось в целую философию, где мир является не более чем сложной машиной. Французский физик Лаплас в XVIII веке дошел до того, что предположил возможность гигантского вычислителя, который, если в него вбить все данные о текущем состоянии вселенной, мог бы предсказать абсолютно все. Подобное чудовище назвали «демон Лапласа» и, действительно, в данной концепции есть нечто демоническое. Ведь если предположить, что все наши действия предопределены еще на уровне атомов и молекул, то не останется места для свободы, для творчества, для любви. Все человечество превращается в бессмысленную армию роботов, которые рано или поздно сломаются.

К таким выводам приходила физика вплоть до XX века. Но потом что-то начало сдвигаться.

Сначала Эйнштейн придумывает свою теорию относительности, которая подвинула в сторонку физику Ньютона. Последняя осталась эффективной для описания локальных процессов, но потеряла монополию на объяснение всего. Тем не менее в парадигме Эйнштейна места для свободы не больше, чем на территории демона Лапласа. Время у него превратилось в четвертое измерение пространства — будущее уже есть, так же как прошлое и настоящее. Это просто точки в четырехмерном геометрическом многообразии, а то, что мы воспринимаем их не так, — наши проблемы.

Однако ветер свободы все-таки ворвался в науку. При изучении микроскопических частиц энергии — квантов — обнаружилось, что эти частицы ведут себя совершенно странным образом. Оказалось, есть некий принцип неопределенности, из которого вытекает: определить положение частицы можно только в рамках теории вероятности, т. е. элемент детерминизма классической физики исчезает. Демон Лапласа не сможет просчитать пути квантовых объектов, т. к. они, по крайней мере отчасти, подчиняются законам случайности.

Из открытий квантовой физики выросло множество научных и философских концепций. Одной из наиболее ярких стала теория хаоса Ильи Пригожина. Илья был блестящим математиком и химиком русского происхождения и, по его словам, всю жизнь пытался разгадать парадокс времени. Неужели мир — просто предсказуемые бильярдные столкновения частиц, или есть нечто большее? Илья обратился к работам французского философа Анри Бергсона, считавшего, что время нельзя сводить к пространству, что время есть непрестанное становление нового. Можно сказать, Пригожин нашел математическую интерпретацию для идей Бергсона. Да, уравнения Ньютона работают, когда речь идет о кеглях или движении Луны. Но когда мы попадаем в мир квантов, в мир хаотической динамики, то сталкиваемся с таким понятием, как бифуркация — в определенные моменты система может с равной вероятностью развиваться по одной из траекторий. Точно так же, как в определенный момент человек может сделать выбор: свернуть налево или направо, быть или не быть. Таким образом, однозначного будущего в рамках этой концепции нет — есть постоянный выбор между потенциальными возможностями, и возможности способны влиять на настоящее, как бы притягивая его к себе (см. ниже статью про аттракторы). На смену железной руке необходимости приходят артистические руки, рисующие друг друга.

Что означали для науки эти сдвиги в парадигмах? Очень многое.

К примеру, то, что научный взгляд на мир не противоречит свободе, не противоречит ответственности за свои поступки, не противоречит творчеству. Вселенная напоминает скорее не ньютоновские часы и не демона Лапласа, а гигантскую мастерскую, где создается нечто абсолютно новое. Кто это новое создает — только ли человек, природа или некий высший разум, ткущий узоры из квантов, — современная наука оставляет за скобками.

Эффект бабочки и лаборатория хаоса

В 1972 г. американский математик и метеоролог Эдвард Лоренц выступил с лекцией, в которой сделал сногсшибательное утверждение: взмах крыла бабочки в Бразилии может привести к изменениям в атмосфере, которые в свою очередь приведут к торнадо в Техасе. Свой вывод он подкрепил компьютерной моделью, убедительно показывающей, что да, может. Изыскания Лоренца положили начало математической теории хаоса. А термин «эффект бабочки» со временем стал популярной метафорой того, как ничтожные изменения начальных условий приводят к самым непредсказуемым последствиям. История дает массу иллюстраций для данного эффекта: так, в августе 1914-го выстрел молодого террориста Гаврила Принципа в австрийского эрцгерцога привел к началу Первой мировой войны, а пьяная выходка в баре английского парламентария Эрика Джойса в 2012 г. привела к изменению в руководстве лейбористской партии, что послужило причиной выхода Британии из Евросоюза.

С эффектом бабочки мы постоянно сталкиваемся и в обычной жизни: иногда от того, куда человек сворачивает на перекрестке, зависит встреча с будущим супругом, а от случайно брошенных слов учителя — выбор будущей профессии. Если допустить, что любое событие имеет такие далеко идущие следствия, то мы окажемся в совершенно непредсказуемом и хаотическом мире. К счастью, эффект бабочки работает не всегда: мы видим, как стабильно восходит каждое утро солнце, знаем, как стабильно циркулирует кровь в венах, а легкие вдыхают и выдыхают воздух.

Одно из ключевых понятий теории хаоса — устойчивость. Например, качающийся маятник — устойчивая система, т. к. в конце концов останавливается в заданной точке, а кружка, стоящая на краю стола, — неустойчивая: одного неосторожного движения достаточно, чтобы она упала и разлетелась на множество мелких кусочков. Понятно, что эффект бабочки действует в неустойчивых системах. Часто система в целом устойчива, но имеет моменты неустойчивости, где малейшее изменение приводит к совершенно разным результатам.

Какие же возможности все это открывает перед нами? Примечательно: наиболее богатой бифуркациями системой в природе является человеческий мозг. Каждый из миллиардов нейронов связан примерно с 10 000 других нейронов, что порождает бездну возможных сигналов.

Если взглянуть на другую сторону медали, мы увидим: фактически все то, без чего сложно представить жизнь современного человека, будь то дома, книги, фильмы, песни, автомобили, айфоны, интернет, — было когда-то мыслями, стремительно пронесшимися в чьей-то голове. Интересно, какие же тогда мысли могут возникнуть в нашем сознании?

Мозг — настоящая лаборатория хаоса, в которой могут родиться идеи, меняющие мир. Остается только не упустить взмаха крыльев своей заветной бабочки.

Сокровенные аттракторы мечты

Слово «аттрактор» (от английского attract — привлекать) изначально возникло в узкоспециальной области дифференциальных уравнений, описывающих хаотические процессы, но сегодня приобретает все большую популярность даже в гуманитарных областях.

Наблюдая за, казалось бы, совершенно непредсказуемым поведением динамических систем, описывающих погоду или движение акций на рынке, математики обнаружили удивительную вещь: подобно скрытым узорам на бумаге, в хаотических процессах вырисовываются правильные структуры.

В какой-то момент запутанные траектории начинают «наматываться» на определенные контуры. К примеру, если заставить точку скакать по специальной формуле, где коэффициенты определяются случайным образом (скажем, через бросание кости), в конце концов она станет прыгать в точности по множеству, изображенному на рисунке, — «ковру Серпинского».

На этих законах основана оригинальная технология сжатия изображений: оказывается, для каждого изображения можно найти аналогичную формулу, которая заставит произвольную точку на мониторе вырисовывать то, что нужно.

Данная идея стала одной из ключевых в недавно родившейся на стыке теории хаоса и философии дисциплине — синергетике. Синергетика сосредотачивается на бесчисленных примерах самоорганизации в самых разных областях. Аттракторы встречаются в турбулентных течениях, на фондовых биржах, в образовании галактик, в работе мозга, и это наводит на предположение, что подобное вырисовывание узоров из хаоса — одно из базовых законов мироздания.

Целый вихрь интересных мыслей возникает, если приложить идею аттрактора к человеческой жизни. Что, если в нашей судьбе присутствуют своего рода «притягивающие множества»? К примеру, человек задумал написать книгу. И эта еще не написанная книга уже начинает из будущего выстраивать вокруг себя события его жизни. Ситуация, не имеющая для другого никакого значения, оказывается недостающим звеном для сюжета, полученные из книг и интернета случайные сведения — материалом, из которого ткется проявляющееся постепенно из небытия произведение.

Точно так же для физика, работающего над какой-то проблемой, случайно намагниченная железяка или нагревшаяся стенка холодильника может сказать то, чего никогда не скажет человеку со стороны.

Интересно, что аттракторы выстраивают себя сами, для их создания не требуется детального планирования и инженерного чертежа. Но все-таки от человека тоже кое-что зависит.

В теории хаоса есть такое важное понятие, как бифуркация — возможность точки в определенные моменты выйти на разные траектории, как бы разные ветви развития событий. Так же человек в своей жизни делает выбор: стать адвокатом, ученым, художником, музыкантом… После того как точка бифуркации пройдена, аттрактор начинает притягивать события, выстраивать их подобно тому, как магнит выстраивает железные опилки. И будущий художник «случайно» оказывается в Эрмитаже, а музыкант вдруг различает в повседневном потоке музыки контуры еще не проявившихся шедевров.

Нелинейная динамика проливает свет на внутренние процессы творчества: если бы в нем правил чистый хаос, это могло бы привести разве что к шизофрении, если бы правил только аналитический разум — были бы закрыты каналы для создания нового. Но в творчестве порядок творится из хаоса — так, из множества пролетающих идей рождается книга, а из случайных звуковых рядов появляется музыкальное произведение.

Поток окружающих нас явлений может показаться бессмысленным, но не сокрыты ли за этой бессмыслицей сокровенные аттракторы мечты?

Геометрия пчелиных сот и тайна шестиугольных кругов

Даже элементарные открытия, сделанные самостоятельно, могут сделать то, чего не сделают сотни зазубренных учебников, — вызвать настоящую теорию (изначально под этим словом пифагорейцы понимали мистический экстаз от соприкосновения с истиной). Теория — своего рода молния из страны смысла. Однажды, когда я готовил макароны, эта молния слегка коснулась меня. Я увидел, как раздувающиеся пузыри в кипящей воде в страшной давке за «место под солнцем» стали приобретать какие-то странные формы… Мгновенная вспышка, и я «увидел» ответ на вопрос, смутно терзавший меня с детства: почему в природе так часто встречаются шестиугольники? Пчелиные соты, клетки, узоры на панцирях черепах…

Шестиугольник — идеальная фигура, чтобы замостить плоскость без пробелов. Это уже что-то, т. к. для подобной цели не подойдут ни круги, ни семи — и девятиугольники. Но откуда пчелы знают о таких геометрических тонкостях? И почему не используют более простые треугольники или квадраты, которые тоже легко подгоняются друг к другу?

Для того чтобы пережить маленькую «теорию», делаем простую математическую модель без единой формулы. Возьмем горсть одинаковых монет. Одну поставим в центр, а другие расположим вокруг так, чтобы все они соприкасались друг с другом. Мы увидим между ними похожие на треугольники зазоры, из-за которых круглой плиткой мы плоскость не замостим. Но вот что интересно — сколько бы раз мы не проделывали этот эксперимент, монеток по краям всегда будет ровно шесть!

Представим теперь, что монетки начинают раздуваться, как пузыри, пытаясь отвоевать друг у друга пустое пространство. Конкуренция деформирует личности и целые народы, чего уж говорить о кругах… В случае равномерного давления шесть точек соприкосновения разобьют окружность на шесть дуг, каждая из которых в конечном итоге распрямится в отрезок, и мы получим идеальное шестиугольное замощение. Круг, шар — наиболее естественная форма заполнения пространства — из центра во все стороны. При «честной» конкуренции круги становятся шестиугольниками. В случае же неравной борьбы получаются пятиугольники и другие альтернативные формы «замощения».

Вряд ли данная геометрическая метаморфоза объяснит нам шестиугольность бензольного кольца, но на устройство сот, клеток, а возможно, и на какие-то тайны геополитики, вероятно, прольет какой-то свет.

Фрактал «буржуйский сыр» и проколы в матрице

Однажды, наблюдая с сыном за поведением капель растительного масла в воде, я вновь пережил вспышку «теории», в пифагорейском смысле этого слова. В этот раз круги не давили друг на друга, как при кипении воды или в пчелиных сотах. Метаморфоза как будто свернула на соседнюю тропинку, и вместо привычных шестиугольников я увидел что-то вроде проколов в матрице.

Представим себе, что нам нужно замостить плоскость круглой плиткой сколь угодно малых размеров. Заполнить пространство как в случае с квадратами или шестиугольниками не получится: между окружностями всегда будут оставаться пробелы. Попытаемся заполнить их плиткой меньшего радиуса (именно так ведут себя пузыри, возникающие между пузырями). Очевидно, что пробелы не уйдут ни в этот раз, ни в следующий… Какие бы маленькие круги мы ни брали, всегда будет оставаться зазор, поэтому процесс можно потенциально продолжать до бесконечности.

Подобные структуры можно увидеть на поверхности свежесваренного кофе, в луже и везде, где давка не превращает их в многоугольники (хотя возможен и симбиоз, как в банке с мыльными пузырями).

Понятно, что в каждом случае процесс заполнения в какой-то момент заканчивается. Но то, что потенциально в природе, — актуально в математике, и чисто логически никто не мешает рассмотреть предельный случай, когда все пробелы заполнены бесконечностью уменьшающихся кругов. Данному математическому монстру я дал название «буржуйский сыр», что вполне характеризует экономические возможности данного принципа.

Технология «буржуйского сыра» позволяет получать видимость объема при сколь угодно малой плотности. Примеры тому пористый шоколад, воздушная кукуруза и даже современный хлеб. Конечно, идеал капиталиста — заданный объем при нулевой плотности — существует только в мире чистой математики. Интересна и «суперпористость» подобных материалов, они как бы бесконечно дышащие. Примечательно, что Декарт примерно так представлял структуру материи.

Впоследствии узнал, что данный объект называется сеткой Аполлония (он же «упаковка Лейбница») и обладает рядом труднопроизносимых математических свойств.

В этом всем удивительно то, что нерешаемая задача о заполнении плоскости кругами, естественным образом возникающая в природе, будто указывает на идеальный объект, которого в природе никогда не найти, но при этом он познаваем логически и является как бы недостижимой целью подобных процессов.

«Буржуйский сыр Аполлония» — хорошая иллюстрация того, что мир математики (а следовательно, и человеческий разум) в некотором смысле трансцендентен природе: он способен проникнуть туда, куда не проникнет ни один из компьютеров ни за какое число шагов. А это, в свою очередь, указывает на неполноту доступного глазу и микроскопу. На пробелы «в матрице», без которых в заколоченном наглухо физическом континууме было бы душновато.

Священный энергетизм гераклита

Представители естественно-научного лагеря часто ставят под сомнение какую-либо ценность философии, а некоторые даже говорят о необходимости ее упразднения. Для подобной точки зрения есть основания. Прежде всего — это хроническая ненадежность любой философской системы, отсутствие единой методологии и критериев, благодаря которым можно было бы назвать ту или концепцию более или менее истинной. И тем не менее множество людей снова и снова оставляют надежные данные физиков и химиков и отправляются в рискованное плавание среди таких понятий, как «бытие», «трансцендентальный», «априорный» и т. п.

Конец ознакомительного фрагмента.