Хаос. Создание новой науки

Либхабера всегда беспокоили вибрации. В ход эксперимента, как и в поведение реальных нелинейных систем, постоянно вмешивались шумы, которые затрудняли измерения и искажали данные. В чувствительном потоке – а ученый постарался сделать его максимально восприимчивым – помехи быстро создавали возмущения в нелинейном течении, вызывая переход от одного типа поведения к другому. Но нелинейность способна как стабилизировать систему, так и расстроить ее; нелинейная «обратная связь» регулирует движение, делая его более устойчивым, а в линейной системе эффект возмущений фиксирован. В условиях нелинейности возмущения могут подпитывать сами себя до тех пор, пока не затухнут и система автоматически не возвратится в устойчивое состояние. Либхабер считал, что нелинейность используется биологическими системами для защиты от помех: переносящие энергию белки, волновые электрические импульсы в сердце, нервная система – все они сохраняют гибкость в мире шумов. Ученый надеялся, что, какая бы структура ни скрывалась внутри потока жидкости, она окажется достаточно стойкой, чтобы ее можно было заметить в ходе эксперимента.

Либхабер задумал возбудить конвекцию в жидком гелии: сделать так, чтобы нижняя пластина оказалась теплее верхней. Эксперимент в точности повторял опыт, описанный в свое время Эдвардом Лоренцем, – классическую схему, известную как модель конвекции Рэлея – Бенара. Но Либхабер тогда еще не знал о Лоренце. Не имел он понятия и о теории Митчелла Фейгенбаума. В 1977 году Фейгенбаум отправился в лекционное турне, и его открытие заставляло говорить о нем повсюду, где ученые знали, как его интерпретировать. Однако, насколько могло судить большинство физиков, опыты Фейгенбаума и открытые им закономерности не обнаруживали очевидной связи с реальными системами. Эти открытия были сделаны с помощью вычислительной машины. Физические же системы были бесконечно сложнее. В отсутствие дополнительных доказательств самое большее, что можно было сказать, – это что Фейгенбаум открыл математическую аналогию, похожую на зарождение турбулентности.

Либхабер знал про опыты американских и французских ученых, которые существенно ослабили позиции теории Ландау о пороге турбулентности, продемонстрировав, что та возникает не в результате непрерывного наложения различных частот, а при внезапном переходе. Джерри Голлаб, Гарри Суинни и другие исследователи, проведя эксперименты с потоком жидкости во вращающемся цилиндре, выявили необходимость в новой теории, однако им не удалось разглядеть переход к хаосу во всех деталях. Либхабер понимал, что в лабораторных условиях четкий образ порога турбулентности еще не был получен, и надеялся, что частичка жидкости в сконструированной им ячейке даст более ясную картину этого явления.

«Гелий в маленькой коробочке». Искусный эксперимент Альберта Либхабера: в самом сердце системы располагалась тщательно сконструированная прямоугольная ячейка с жидким гелием внутри; крошечные сапфировые болометры измеряли температуру жидкости. Миниатюрная ячейка была помещена в контейнер, призванный защитить ее от посторонних шумов и вибраций и обеспечить точность замеров при нагревании.

Наукой движет специализация. Исследователи гидродинамики, следуя своим представлениям, совершенно справедливо усомнились в высоком уровне точности, который, по утверждению Суинни и Голлаба, был достигнут ими при работе с течением Куэтта – Тейлора. Со своей стороны математики справедливо возмущались Рюэлем. Он нарушил правила, выдвинув амбициозную физическую теорию под видом доказательного математического утверждения, и сделал это так, что отделить предположения от доказательств стало весьма нелегко. Математик, который отказывается принять идею, пока она не будет облечена в традиционную форму теоремы и доказательства, играет по правилам, предписанным его дисциплиной и ставящим заслон на пути подтасовки. Редактор журнала, отвергающий новые идеи, изложенные непривычным стилем, способен навлечь на себя обвинение в защите кастовых интересов авторитетных коллег, тем не менее он также выполняет роль защитного фильтра в обществе, которое не без оснований остерегается неизведанного. Сам Либхабер замечал, что «наука – оружие против нелепости»[256]. Когда коллеги называли его мистиком, характеристика эта далеко не всегда звучала лестно.

Осторожный и дисциплинированный экспериментатор, известный своей точностью в постановке опытов, он обладал чутьем на такое абстрактное, расплывчатое, призрачное явление, как поток. Поток воплощает в себе образ и изменения, движение и форму. Физик, думающий о системе дифференциальных уравнений, назовет их математическое движение потоком. Идея потока восходит еще к Платону, предполагая, что изменения в системах отражают некую реальность, не зависящую от конкретного момента. Либхабер принял мысль Платона о том, что Вселенная полна скрытых форм. «Но мы ведь знаем, что это на самом деле так! Вы же видели листья на деревьях.