Хаос. Создание новой науки

Уинфри замечал, что «динамические явления, как правило, противоречат интуиции, и сердце не исключение»[383]. Кардиологи надеялись, что их поиски увенчаются разработкой научно обоснованного метода для выделения группы риска (людей, наиболее подверженных фибрилляции) и созданием новых способов конструирования дефибрилляторов и назначения лекарственных препаратов. Уинфри также питал надежду, что глобальное рассмотрение этих проблем в математическом свете обогатит теоретическую биологию – дисциплину, которой в Соединенных Штатах практически не существовало.

Сейчас некоторые физиологи используют термин «динамические заболевания», говоря о расстройствах различных систем организма человека, нарушениях координации или управления. «Системы, которые в нормальном состоянии колеблются, внезапно прекращают колебания или начинают осциллировать иным, неожиданным образом, а те системы, которые обычно не подвержены циклическим изменениям, вдруг обнаруживают их» – так звучит одно из определений[384]. Подобные синдромы включают в себя расстройства дыхания: одышку, дыхание Чей-на – Стокса и остановку дыхания у младенцев, которая ведет к синдрому внезапной детской смерти. Существуют динамические заболевания крови. К их числу принадлежит одна из форм лейкемии, когда меняется соотношение белых и красных кровяных телец и тромбоцитов. Некоторые ученые полагают, что к тому же разряду недугов может принадлежать и шизофрения, наряду с некоторыми типами депрессии.

Но физиологи начали рассматривать хаос и как состояние здоровья. Давно уже стало ясно, что нелинейность в процессах обратной связи служит целям регулирования и управления. Представьте себе линейный процесс, которому придали легкий толчок; как правило, он лишь слегка меняет направление. Нелинейный же процесс, подвергнутый тому же воздействию, обычно возвращается в свою начальную точку. Христиан Гюйгенс, голландский физик XVII века, внесший вклад в изобретение часов с маятником и в создание классической динамики, натолкнулся на один из ярчайших примеров такой формы регуляции (так, по крайней мере, гласит известная легенда). Однажды знаменитый ученый заметил, что несколько маятниковых часов, помещенных рядом на стене, колеблются совершенно синхронно, подобно тому как льются голоса в хоре. Он понимал, что часы не могут идти настолько точно, и никакие соображения, связанные с математическим описанием маятника, не позволяли объяснить столь таинственное распространение порядка от одних часов к другим. Гюйгенс справедливо предположил, что часы приводились в согласованное движение вибрацией, передаваемой через деревянную стену. Это явление, при котором один регулярный цикл синхронизируется с другим, ныне называют захватом фазы. Именно в силу этого явления Луна всегда обращена к Земле одной и той же стороной и в целом у спутников планет, как правило, отношение периода вращения вокруг своей оси к периоду обращения по орбите составляет 1 κ 1, или 2 к 1, или 3 к Когда отношение близко к целому числу, нелинейность в приливном притяжении спутника тяготеет к тому, чтобы осуществить захват фазы. Этот эффект встречается и в электронике, позволяя радиоприемнику настраиваться на определенные сигналы, даже если наблюдаются небольшие колебания частоты. Воздействие регулярных циклов друг на друга объясняет способность групп осцилляторов, в том числе биологических, таких как клетки сердечной ткани и нервные клетки, функционировать синхронно. Удивительный пример из мира природы представляют светлячки, встречающиеся в Юго-Восточной Азии: в брачный период они собираются на деревьях тысячами и мерцают в удивительно гармоничном ритме.

Хаотическая гармония. Взаимодействие различных ритмов, таких как радиочастоты или планетарные орбиты, производит особую версию хаоса. На рисунках представлены компьютерные изображения некоторых «аттракторов», которые могут возникнуть при наложении друг на друга трех ритмов.