Хаос — третья революция в физике

Американский журналист Джеймс Глик в книге «Хаос. Создание новой науки» описал возникновение и развитие науки о хаосе, которая стоит в одном рядом с квантовой физикой и теорией относительности.

«Наиболее страстные защитники новой науки даже утверждают, что грядущим поколениям XX век будет памятен лишь благодаря созданию теории относительности, квантовой механики и теории хаоса. Хаос, заявляют они, стал третьей из революций, последовательно освобождавших физику от догматов ньютоновского видения мира».

Что такое хаос?

«В математике хаосом называется апериодическое детерминированное поведение динамической системы, крайне чувствительное к начальным условиям. Бесконечно малое возмущение граничных условий для хаотической динамической системы приводит к конечному изменению траектории в фазовом пространстве».

Простыми словами хаос — это «эффект бабочки».

Взмахнула бабочка крылышками на опушке леса, вызвала цунами в океане. Маленькие отклонения в начальных условиях — большие последствия. Так есть версия, что к первой мировой войне, как и к рождению нас с вами, привела невнимательность водителя эрцгерцога Франца Фердинанда австрийского, он свернул не туда и попал прямиком на одного из уже отчаявшихся заговорщиков, который, не веря своему счастью, судьбе и совпадению, тут же и застрелил эрцгерцога, чем и развязал мировую войну. Вот тут описана эта история.

Теория хаоса начинается со случайного, а как иначе в случае такой науки, открытия метеоролога Эдварда Лоренца. Это классическая и одна из известных историй. Лоренц хотел познать природу погоды, научиться делать ее прогнозы. Только-только появились первые компьютеры, которые позволили Лоренцу подбирать ключи к природе. Моделировать погоду, разбирать ее по кирпичикам.

«Однажды зимним днем 1961 года, намереваясь изучить определенную последовательность событий, он несколько сократил исследование — приступил к построению не с начальной точки, а с середины. В качестве исходных данных ученый ввел цифры из предыдущей распечатки. Когда спустя час он вернулся, отдохнув от шума и выпив чашку кофе, он увидел нечто неожиданное, давшее начало новой науке.

Новые вычисления должны были полностью повторить предыдущие, ведь Лоренц собственноручно ввел в компьютер числа, а программа оставалась неизменной. Тем не менее график существенно расходился с полученным ранее. Лоренц посмотрел сначала на один ряд чисел, потом на другой. С таким же успехом он мог наугад выбрать две случайные модели погоды. Первое, о чем он подумал: вышла из строя вакуумная лампа.

Но внезапно ученый все понял. Машина работала нормально, а разгадка заключалась в числах, заложенных им в компьютер. Машина могла хранить в памяти шесть цифр после запятой. На распечатку же, в целях экономии места, выдавалось всего три. Лоренц ввел укороченные, округленные значения, предположив, что разница в тысячных долях несущественна».

Простое округление начальных данных после запятой привело к совершенно другой погоде. Вот почему так сложно делать прогнозы погоды на длительные промежутки времени. Малейшие отклонения в начальных условиях все меняют.

Лоренц был первым, кто нащупал хаос, другие области знаний к ней пришли через десятилетия:

«Физикам не хватало времени штудировать метеорологические журналы. Только некоторые математики оценили открытие Лоренца, и еще целых десять лет физики, астрономы и биологи открывали уже открытое. В конце концов, Лоренц был метеорологом, и никому не приходило в голову искать первое описание феномена хаоса на сто тридцатой странице двадцатого выпуска JournaloftheAtmosphericSciences».

Где используется наука о хаосе? Например, в дефибрилляторах, которые запускают сердце.

«Мерцание сердца не прекратится само по себе. Этот тип хаоса устойчив. Лишь электрический разряд дефибриллятора — толчок, который любой занимающийся динамикой ученый посчитает возмущением значительной степени, — может вернуть сердце к стабильному состоянию. В целом дефибрилляторы действуют довольно эффективно, хотя их создатели, подобно конструкторам искусственных сердечных клапанов, долго блуждали в потемках».

Хаос — новая наука, которая таит в себе много загадок. Фракталы, аттракторы — это все из теории хаоса. Часть физических проблем до сих пор не разрешена, например, турбулентность.

«Турбуле́нтность (от лат. turbulentus — бурный, беспорядочный), турбуле́нтное тече́ние — явление, когда при увеличении скорости течения жидкости (или газа) образуются нелинейные фрактальные волны. Волны образуются обычные, линейные различных размеров, без наличия внешних сил и/или при наличии — сил, возмущающих среду».

Нам это может ни о чем не говорить, но физиков волнует этот вопрос.

«Проблема турбулентности имеет богатую историю. Все великие физики так или иначе размышляли над ней. Плавный поток разбивается на валы и вихревые токи; беспорядочные изгибы разрушают границы между жидкостью и твердой поверхностью; энергия крупномасштабного движения быстро перетекает в мелкие завихрения. Почему? Пожалуй, самые разумные идеи предлагали математики; большинство же физиков попросту опасались тратить время на изучение турбулентности, которая казалась почти непостижимой. Доказательством тому может служить история о Вернере Гейзенберге, известном ученом, занимавшемся квантовой физикой. На смертном одре он признался, что хотел бы задать Господу Богу два вопроса: об основах относительности и о причине турбулентности. „Но думаю, что Господь может ответить мне только на первый из них“, — заметил Гейзенберг».

Как теория хаоса может помочь нам с вами? Ну вы можете чувствовать удовлетворение, что, когда разжигаете костер, где-то может от этого со временем зарождается ураган.

Вижу возможность применения науки о хаосе для решения вопроса с пробками. Так мой город Краснодар входит в ТОП 25 городов мира по пробкам. И я вот заметил необъяснимое явление. С первыми каплями дождя город встает в пробку. Хотя, казалось бы, что тут такого, несколько лужиц и накрапывающий дождь, но нет… пробище. Теория хаоса это объяснила бы тем, что движение по улицам города — хаотический процесс, небольшое изменение начальных условий, в виде дождя, мелких аварий, порождает значительное отклонение от нормального трафика.

И искать решения нужно нестандартные. Наш организм же как-то справляется с трафиком крови. Может и городам нужны «дефибрилляторы»? Например, фантазия, только-только начинает накрапывать дождь, на улицы города выходят специальные машины — борцы с хаосом, они раскрашены в оранжевый цвет и движутся на определенной скорости, задают ритм дорогам. Машины как таблетки, снимающие головную боль. Или же программируем светофоры, чтобы они реагировали на дождь, изменяли время ожидания в зависимости от погоды.

Есть над чем подумать ученым.

Книга Джеймса Глика «Хаос. Создание новой науки» сложна для чтения, но ее можно использовать как экскурс в историю зарождающейся теории хаоса.

Владимир Никонов
Подкасты о саморазвитии: https://music.yandex.ru/album/7328601