Дельфис

Во второй половине прошедшего века возникло новое направление междисциплинарных исследований, вскоре получившее название «синергетика». Это был целый комплекс идей, звучавших непривычно, быстро завоевавших популярность и вызвавших всплеск энтузиазма среди исследователей самых разных естественных наук, от биологии до физики и астрономии. Что же такое синергетика и почему она вызвала такой фурор? И как мы можем теперь, полвека спустя, оценить связанные с этим направлением надежды и сопоставить их с его реальными достижениями?

Для ответа на этот вопрос нужно охарактеризовать доминирующие идеи естествознания в предшествующие появлению синергетики десятилетия, чтобы оценить, что нового внесла синергетика по сравнению с прежними представлениями и почему её появление было воспринято как революционный прорыв в понимании мироустройства. Вся физика второй половины ХIХ века развивалась под влиянием огромных успехов термодинамики, позволившей в рамках единой парадигмы объяснить множество важных процессов: теплопроводность, фазовые переходы, электропроводность, работу тепловых двигателей, осмос, химические превращения и многое другое. Практически невозможно составить более или менее полный список всех физико-химических процессов и явлений, объяснённых с помощью термодинамического подхода и лежащей в его основе статистической физики. Создалось впечатление, что второй закон термодинамики является универсальным законом природы, применимым почти во всех ситуациях к почти всяким природным системам, и принцип неуклонного возрастания энтропии стал рассматриваться в качестве фундаментального: материальный мир всегда развивается в сторону разрушения структур, возрастания хаоса и установления термодинамического равновесия. Глубоко пессимистическая идея «тепловой смерти» Вселенной овладела умами учёных и даже широкой публики.

Этот взгляд утвердился несмотря на то, что, строго говоря, закон возрастания энтропии применим лишь к изолированным системам, не обменивающимся энергией и веществом с окружающей средой, а такие системы отнюдь не типичны для мира в целом. Живые организмы, например, просто не могут существовать без постоянного обмена со средой, и даже в мире косных систем есть масса примеров эволюции в сторону возрастания сложности и упорядоченности, самопроизвольного возникновения порядка и образования сложных форм: рост кристаллов, форм рельефа в геоморфологии, образования месторождений и концентрации химических элементов и проч. Все эти процессы формообразования оказались за рамками применимости термодинамического подхода, хотя именно они во многом определяют сущностные черты мира, в котором мы живём. Процессы разрушения оказались простыми и легко понимаемыми, тогда как процессы созидания (самопроизвольного, невынужденного формообразования) ускользали от естественнонаучного объяснения и воспринимались скорее как необъяснимое чудо, чем как познаваемые природные явления. Первая половина ХХ века сконцентрировала внимание физиков на последствиях квантовомеханической и релятивистской революции, а общий перекос в понимании природы, связанный с ограниченностью термодинамической парадигмы, на протяжении всех этих десятилетий оставался без серьёзного внимания теоретиков.

Вот на этом фоне и появились пионерские работы Ильи Пригожина, продемонстрировавшие возможность самоорганизации в косных системах, далёких от равновесия. Подход оставался термодинамическим, но применялся в ситуации, когда второй принцип термодинамики не работал, так как системы были, во-первых, неизолированными, и, во-вторых, термодинамическое равновесие было для них недостижимо: постоянный приток и диссипация энергии в системе стабилизировала её в этом неравновесном состоянии. Такие системы были названы диссипативными, и число естественных примеров таких систем стало расти, как снежный ком. Стало ясно, что это отнюдь не экзотика, а весьма распространённый в природе способ самоорганизации. (В рамках данной статьи под самоорганизацией будет пониматься именно спонтанное формообразование.)

В дальнейшем школа Пригожина расширила круг изучаемых ею явлений за пределы термодинамического подхода, включив в него многие ранее полученные отечественными механиками и математиками результаты изучения нелинейных колебаний и волн. Классическим примером этого рода стала реакция Белоусова-Жаботинского, в которой в гомогенной смеси химических реагентов сами собой возникали периодические колебания и волны, в том числе сложной пространственной структуры. Хотя формально такие системы тоже можно отнести к диссипативным (диссипация участвует в поддержании и развитии образующихся нелинейных волн и пространственных структур), но использованный Жаботинским математический аппарат изучения этих систем никак не использует принцип минимума производства энтропии, на котором были основаны ранние работы Пригожина. Вместо этого прямо рассматривается система уравнений химической кинетики протекающих реакций и диффузии их продуктов. Подобные системы нелинейных дифференциальных уравнений, в том числе довольно простые, можно придумать без всякой связи с какой-либо физической системой, так что решения этих систем будут проявлять свойства самоорганизации: в них возникнут спонтанные колебания (временные структуры), а если включить ещё пространственные координаты – то появятся автоволны (пространственные структуры).

Этот намного более общий подход к самоорганизации и получил в дальнейшем название «синергетика». Термин предложил немецкий физик-теоретик Герман Хакен, создавший собственную школу исследований в области самоорганизующихся сложных систем. Им были предложены также новые принципы и механизмы, управляющие формообразованием: принцип подчинения, согласно которому в рассматриваемом им классе систем можно подразделить переменные (и процессы) на быстрые и медленные, причём развитие быстрых процессов определяется развитием медленных (подчиняется им). При этом в по-настоящему сложных системах возникает целая иерархия временных масштабов, определяемая принципом подчинения. Разрыв между скоростями процессов соседних членов иерархии должен быть достаточно выраженным, чтобы можно было пользоваться адиабатической аппроксимацией: зафиксировать текущие значения медленных переменных и решать уравнения релаксации для быстрых, считая значения медленных постоянными. Как и Пригожин, Хакен не удержался от чрезмерных обобщений, приписав найденным им механизмам универсальность, далеко выходящую за рамки реальных возможностей этого класса моделей. Так он попытался объяснить своей синергетической парадигмой функции мозга, самой сложной системы, известной в живой природе, что представляется попыткой с явно негодными средствами.

Надо заметить, что теорию самоорганизации постоянно преследует злой рок: склонность наиболее активных её пропагандистов к грандиозным философским спекуляциям, отнюдь не оправданным фактическими научными достижениями. Сложное – оно действительно сложно, и наивно думать, что хитроумие природы может быть исчерпано небольшим ограниченным набором принципов и механизмов. Такие кавалерийские атаки адептов синергетики во многом скомпрометировали область в целом, и многие серьёзные физики-теоретики ныне морщатся, услышав само слово «синергетика». Возможно, от него действительно стоит отказаться как от общего названия для очень разных по подходам попыток понять явление самоорганизации, и применять его лишь для подхода Хакена и его школы.

А как же быть с общей проблемой понимания сложности и эволюции сложных систем – научной, методологической, философской и даже религиозной? Мне представляется, что мы пока очень далеки от хотя бы приблизительного понимания ситуации. Первопроходцы «синергетики» подобны Колумбу, который, доплыв до нескольких небольших островов Карибского моря, полагал, что нашёл новый путь в Индию. О том, что неподалеку лежит огромный новый материк, позже названный Америкой, он не имел ни малейшего понятия. Надежды на то, что проблема морфогенеза и сложности вот-вот будет решена, были сильно преувеличенными и утопичными и потому не оправдались. Не существует и не может существовать «волшебной палочки», универсальной отмычки ко всем загадкам природы, и надеяться найти её было ошибкой с самого начала.

Что в плюсе? Была продемонстрирована возможность самопроизвольного возрастания сложности в открытых системах, обменивающихся энергией и веществом с внешней средой, и получены решения нескольких частных задач. Был сформулирован принцип минимума производства энтропии. Преодолено долго державшееся заблуждение, что физические процессы во Вселенной ведут лишь к «порче», разрушению структур, и никогда – к их созданию.

Что в минусе? Оказалось, что даже этот улучшенный термодинамический подход всё равно недостаточен для объяснения всех примеров самопроизвольного возрастания сложности, и на практике полученные Пригожиным решения часто оказываются нереалистичными, неустойчивыми и расходятся с тем, что реально наблюдается в эксперименте. Нужны новые идеи и новые методы, чтобы описать физическую реальность.

Как всегда, избыток энтузиазма затем приводит к столь же преувеличенному разочарованию. Создание первых работоспособных моделей самоорганизации существенно обогатило наши знания о природе и побудило искать новые модели подобных процессов, что остаётся весьма актуальным и поныне. Эти модели должны обязательно рассматривать устойчивость процессов и структур, и общего способа это сделать не существует. Каждая такая задача должна рассматриваться индивидуально, и теория устойчивости – самый общий подход к такому анализу.

Необходима общая теория развития – то, что в философии называлось диалектикой. Однако это должна быть математическая теория, а не просто философия. Кибернетика и системный анализ обеспечивают необходимый математический аппарат, но он не работает автоматически: нужны конкретные исследования конкретных структур и процессов, и уже из этих решений и примеров можно будет делать более общие выводы, касающиеся процессов развития как таковых. Это огромная работа, рассчитанная на десятилетия. Пока что достижения довольно скромные. Есть несколько возможных направлений подобных исследований. Представляется перспективным превращение морфологии, бывшей до сих пор описательной и статической наукой, в науку динамическую, изучающую не столько сами формы, сколько процессы формообразования, – то, что я назвал бы морфодинамикой. Она должна исследовать устойчивость форм и условия утраты устойчивости, то есть процессы стабилизации и дестабилизации, а также обратные связи между формами и их устойчивостью в процессах развития.

Синергетический бум породил не только серьёзные исследования, но также в ещё большем количестве легковесные спекуляции и псевдонаучную заумь, то есть лженауку в самом прямом смысле слова. Сама синергетика тут ни при чём: лженаука всегда расцветает около и по поводу модных направлений, а синергетическая мода из-за широты своих претензий и обещаний была обречена обрасти огромным количеством информационного шума, недопонимания и просто жульничества.

То же самое произошло и с близкими синергетике дисциплинами: кибернетикой и системным анализом. Плохо переваренные гуманитариями идеи этих наук, по-хорошему требующих солидной математической подготовки, вызвали множество легковесных философских спекуляций. У физиков такие спекуляции вызывают вполне понятный скептицизм, и пропасть между «физиками» и «лириками» не только не исчезла, но, пожалуй, даже увеличилась. Не во всём здесь можно обвинять гуманитариев. «Физики», в кавычках и без, тоже виноваты. Необходимо усвоение представителями точных наук методов и понятий наук гуманитарных. Нужно понять, что сложные системы обладают определённой свободой выбора, недетерминированностью, что у них есть своё собственное время, и история их развития запечатлена в их структуре. А значит, к их развитию нужен исторический подход, методология исторической реконструкции, в частности, герменевтика.

Какой вывод можно сделать на будущее? Теория развития сложных систем, в частности, теория биологической эволюции, по существу междисциплинарна. Методология естествознания в исторически известном нам виде для такого междисциплинарного синтеза недостаточна и должна быть дополнена методами наук гуманитарных: семиотикой, герменевтикой, историческим анализом, кибернетикой, математической теорией регулярной и хаотической динамики. Но это требует многосторонне образованных исследователей, обладающих достаточными познаниями и в биологии, и в физике, и в математике, и в лингвистике и филологии. Отсутствие таких учёных-универсалов – главный тормоз успешного развития науки будущего.

С.В.Чудов, журнал «Природа»

serchudov@rambler.ru