Хаос. Создание новой науки

Этот раздел динамики исследует не конечное и устойчивое поведение системы, а механизм ее «выбора» между двумя возможными вариантами. Система, подобная модели Лоренца, сейчас является классическим примером системы с одним аттрактором – одним поведением, к которому система стремится, – и этот аттрактор хаотический. Другие системы способны в конечном итоге демонстрировать нехаотическое поведение, но могут иметь более одного устойчивого состояния[301]. Исследование границ фрактальных бассейнов было исследованием систем, которые способны достигнуть одного из нескольких нехаотических конечных состояний[302]. Оно приводило к вопросу о том, как предсказать, какого именно состояния достигнет система. Джеймс Йорк, который спустя десятилетие после присвоения хаосу имени стал пионером в изучении этого феномена, предложил рассмотреть воображаемую игру в пинбол – разновидность бильярда, где вашим партнером выступает механическое устройство с поршнем, оснащенным пружиной[303]. Оттянув рукоятку поршня, мы отпускаем ее, чтобы направить шарик на игровое поле. Сконструированный под неким наклоном автомат обычно имеет резиновые бортики и электрические толкатели, которые сообщают шарику дополнительную энергию. Эти толчки весьма важны: благодаря им энергия шарика не будет просто плавно убывать. Простоты ради представим, что в нижней части воображаемого автомата нет резиновых бортовых лент, а есть только две наклонные плоскости (или лунки) для шарика, по одной из которых он и покидает поле.

Это детерминистский пинбол: автомат не испытывает вибраций и лишь один параметр обусловливает направление движения шарика – насколько сильно мы оттянули рукоятку поршня. Но предположим, автомат устроен так, что, если мы оттянули ее не сильно, шарик всегда катится в правую лунку, а если сильно – в левую. В промежуточном состоянии поведение системы становится сложным: шарик довольно долго прыгает от одного амортизатора к другому, издавая характерные шумы, прежде чем угодить в ту или другую лунку.

А теперь предположим, что мы строим график, отображающий зависимость результата от начального положения рукоятки поршня. График представляет собой линию. Положение рукоятки, при котором шарик попадает в правую лунку, обозначим красной точкой, в левую – зеленой. Что мы можем выяснить об этих аттракторах как о функции начальной позиции?

Граница оказывается фрактальной системой, необязательно самоподобной, но с бесчисленным количеством деталей. Некоторые участки линии будут сплошь красными или сплошь зелеными. Другие при увеличении обнаружат новые вкрапления красного внутри зеленого и наоборот. При каких-то положениях рукоятки небольшие сдвиги не имеют значения, однако есть и такие, при которых даже произвольно малое изменение будет иметь значение для распределения красного и зеленого цветов.

Добавление второго измерения означает ввод второго параметра, второй степени свободы. Например, в случае с автоматом для игры в пинбол можно принять во внимание эффект от изменения угла наклона игрового поля. Здесь обнаружится особого рода сложность – сущее наказание для инженеров, которые отвечают за проверку устойчивости реальных систем, обладающих более чем одним параметром, в частности энергетических сетей и ядерных станций, в 1980-х годах ставших объектами исследований вдохновленных хаосом ученых. При одном значении параметра А параметр В может порождать обнадеживающее упорядоченное поведение с последовательными участками стабильности. Инженеры могут проводить исследования и составлять графики именно того типа, какой предполагает их подготовка, ориентированная на линеаризацию. И все же не исключено, что где-то поблизости прячется другое значение параметра А, существенно влияющее на важность параметра В.