Чего не знает современная наука - Сборник статей

Это, безусловно, бросало вызов человеку: неужели не сам он решает, как ему поступить, и неужели во всех его горестях и радостях виноват рок? Так идеал науки вступил в конфликт с идеалом человека – творца своей судьбы.

К счастью, развитие науки в XX веке привело к революционным изменениям во взглядах на мир и его эволюцию. Сначала выяснилось, что мир нельзя свести к системе частиц, имеющих координаты и скорости: процессы, идущие на уровне атомов и более мелких частиц, характеризуются принципиальной неопределенностью, их невозможно предсказать с абсолютной точностью, можно вести речь лишь о вероятности того или иного исхода. Это, если говорить предельно просто, объясняется законом больших чисел: когда на эксперимент оказывает влияние очень большое количество независимых случайных факторов, то его исход становится практически предопределенным. Так, например, при однократном подбрасывании монетки разумный человек не рискнет предсказать выпадение орла, но при подбрасывании 10 миллиардов монеток можно утверждать, что частота выпадения орла будет равна 1/2 со среднеквадратичной погрешностью всего лишь в пять миллионных. В наблюдаемых же событиях нашего мира участвует значительно большее число случайных микроявлений: например, в 12 граммах (одном моле) углерода содержится 6 * 1023 атомов (это так называемое число Авогадро).

Второй удар по идеалу предсказательной силы науки нанесли математики. На границе XIX и XX веков Анри Пуанкаре заметил, что существует целый класс уравнений, описывающих эволюцию механической системы, решение которых не может быть однозначным! Пример такой системы – детская игрушка «китайский бильярд», в которой катящийся шарик натыкается на своем пути на множество столбиков, отскакивает от стенок, и в результате траектория его движения кажется случайной. Столкновение шарика с препятствием вызывает колоссальные математические трудности – приходится рассматривать очень подробные модели, которые оказываются чрезвычайно неустойчивыми: при изменении положения или скорости шарика на сколь угодно малую величину его дальнейшее движение меняется радикально. Достичь же необходимой точности определения параметров модели, чтобы однозначно описать движение, не удается по принципиальным соображениям, в частности следующим из законов микромира.

Как видим, наука серьезно рисковала оказаться в ситуации, с описания которой началась статья: ничего предсказать нельзя и лучше уж гадать на кофейной гуще. Но, к счастью, в конце XX века научились работать и с такими сложными системами. Можно, например, выделить в жизни системы этапы, когда ее движение предопределено и предсказуемо (в случае с «китайским бильярдом» это этап движения шарика по инерции между двумя столкновениями с препятствиями). Но рано или поздно этот этап закончится, и начнется следующий, такой же «спокойный». Самое интересное творится на их стыке – в это время система словно погружается в хаос, в котором теряется значительная доля информации о движении на предыдущем этапе. Иногда этот кризис длится мгновение, иногда заметное время. Попытка описать движение на переходном этапе не приводит к успеху. Оказывается, что в это время система чувствительна к очень малым воздействиям, каждое из которых может поменять ее дальнейшую судьбу. В «китайском бильярде» направление полета шарика после столкновения с препятствием может значительно изменяться при микроскопических изменениях положения шарика в момент удара. Замечательным достижением явилось то, что в ряде ситуаций исследователи научились предсказывать возможные пути движения системы после кризиса: выяснилось, что иногда этих путей не слишком много. Научились даже указывать способы воздействия на систему, в результате которых ее развитие выходит на нужный режим.

Теперь на смену фатализму пришла новая точка зрения: есть этапы, когда твоя воля бессильна и ты находишься в строгих рамках судьбы. Освободиться из этих рамок можно, лишь совершая сверхусилия (например, сообщив системе достаточную энергию извне, ударив по шарику и изменив тем самым направление и скорость его движения). И есть этапы переломные, когда небольшие по сути изменения и подвижки могут резко изменить дальнейшую судьбу (в рассмотренном примере это этапы соударения со столбиками или стенками бильярда).

Конечно, перенос законов движения шарика на человеческую судьбу может показаться рискованным – все-таки математики исследуют уравнения, описывающие те или иные частные системы. Но важно то, что найдена принципиально иная возможность эволюции систем, сочетающая в себе и модель выбора, и реальные ограничения «судьбы». Теория нелинейных систем – математическая дисциплина, и сама по себе она не может предотвратить ни резкого ухудшения обстановки, ни быстрого выхода из застоя. Но как любая теория, она позволяет глубже вникнуть в суть вещей, явлений и процессов реального мира. С точки зрения математики катастрофа и хаос – это не обязательно крушение всех надежд или еще какая-нибудь беда, это этап резкой перестройки системы, качественный скачок ее состояния: неожиданный поворот жизненного пути, социальная революция, экономический бум. И важно в преддверии этих кризисных ситуаций найти нужный путь и не «застрять». А если момент упустишь, то будут тянуться перед тобой длинные пыльные окольные тропы…

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

Математика и мифология о «чужом»

Помните сказку для младших научных сотрудников «Понедельник начинается в субботу», написанную А. и Б. Стругацкими? Там в одном из фрагментов волшебник Мерлин, перенесенный волей авторов из средневековой Англии в наше время, рассказывает о своем путешествии по окрестным совхозам с председателем горисполкома и поминутно сбивается, называя его королем Артуром. А портреты вождей пролетариата в чукотских чумах, на которых привычные нашему глазу лица приобретали черты, свойственные людям народов Севера? Эти забавные ситуации – проявление так называемого феномена Чужого, превратившегося, по словам Ш. М. Шукурова, в XX веке «в одну из наиболее интенсивно обсуждаемых проблем гуманитарной мысли».

Действительно, что такое «свое» и что такое «чужое»? Как мы отличаем одно от другого, как превращаем непривычное, незнакомое в близкое и понятное? Эти вопросы важны для каждого человека – от ребенка, познающего мир, до политика, пытающегося найти общий язык с народами и правителями других стран. Попытки разобраться в этих вопросах делаются и психологами, и философами, и историками, и даже математиками.

Представьте себя на месте автора книги, в которой описывается путешествие героя в неведомые страны. Вам предстоит придумать нечто совершенно не похожее на наш мир. Как это сделать?

Можно, например, придумать замысловатые названия тем вещам и явлениям, которыми наполнен «тот» мир, – тогда он точно не будет похож на наш. Но если эти названия не будут растолкованы, если не вызовут никаких ассоциаций у читателя – то, скорее всего, такая книга никогда и не будет прочитана. Нужно что-то хотя и составленное из привычных слов, но вызывающее яркое впечатление необычного, невозможного в мире «нашем».

Итак – парадокс: из набора привычных понятий возникает новое, непривычное. Однако наш опыт свидетельствует о том, что это противоречие преодолимо – ведь мифы, сказки, фантастические романы реально существуют и пользуются неизменной популярностью, и в них именно за обычными словами и понятиями возникает мифическая, сказочная, фантастическая реальность.

Попробуем разобраться в этом процессе, используя простую математическую модель. Ее можно громко назвать Моделью Познания Неведомого, которая описывает процесс построения понятий «мира Чужого» из понятий «мира Своего». Оказывается, многое из того, что нам понадобится, уже придумано в математике – вот уже примерно полвека существует ее раздел под названием «распознавание образов». В нем дано формальное описание понятий «свой – чужой», его мы и положим в основу наших рассуждений.

Методы распознавания образов позволяют в разнообразной информации узнавать и выделять тот или иной «свой» объект. Для успешного решения задачи сформулируем ее на математическом языке, то есть формально определим, что такое «свое» и чем оно отличается от «чужого», и зададим критерий, определяющий качество решения. После этого останется лишь решить техническую задачу выбора наилучшего решения, либо убедиться, что такового не существует, и тогда переформулировать задачу.

«Кирпичиками», из которых складывается математическая модель, являются знакомые нам понятия, обычаи, предметы и т. п. Примем как аксиому, что любое явление «мира сего» можно представить как простую, или, как говорят математики, линейную, комбинацию из заданного набора известных понятий.