Критическая масса. Как одни явления порождают другие

Упомянутые бойды Рейнольдса, хотя и выглядят значительно сложнее описываемых клеточных автоматов, поскольку не связаны с неподвижными ячейками и поэтому способны гораздо свободнее передвигаться в виртуальном пространстве, все же остаются автоматами, так как их поведение определяется жесткими правилами. Однако стоит особо отметить, что они стали первой формой искусственной жизни, позволяющей воспроизводить довольно сложные явления реальной жизни, вследствие чего их исследования и до сих пор остаются одним из важных разделов новой обширной области исследований, объединенных названием теория сложности с ее основополагающей концепцией эмержентности[56].

Например, из поведения отдельных бойдов спонтанно возникает представление о стае, которое не было «запрограммировано» в наборе исходных правил, которые относились сугубо к движению отдельных особей. Это означает, что какая-то особенность в заданных правилах парного взаимодействия бойдов смогла породить в системе некий неожиданный режим согласованного группового поведения. Возникновение таких свойств доказывает нам, что целое не сводится к простой сумме своих частей или составляющих.

В этом контексте значение слова сложность существенно расширяется и углубляется, далеко выходя за рамки собственно физики. Многие результаты, полученные в этом направлении, пока можно назвать лишь эмпирическими исследованиями в информатике и кибернетике, т. е. созданием новых игр для автоматов и изучением поведения все новых придумываемых систем. Результаты большинства таких работ, при всей из занимательности, остаются непонятными и даже бесполезными, поскольку не имеют теоретического обоснования. Мы постоянно получаем все новые описания (а не предписания), не приводящие к углублению теоретических представлений. Гарвардский биолог Э.О. Вильсон с некоторой горечью пишет: «Сама по себе концепция эмержентности не дает никаких объяснений, если исследователь не понимает сущность механизмов, действующих в изучаемой системе»⁵. Поэтому все исследования искусственной жизни бойдов и любых других интереснейших компьютерных моделей поведения разнообразных стадных животных, от колоний муравьев до огромных табунов мустангов в прериях, будут оставаться всего лишь «салонными играми» ученых в области высоких технологий до тех пор, пока исследователи не поймут, что объекты их изучения относятся, в сущности, к новой области неравновесной статистической физики.

ФИЗИКА КОЛЛЕКТИВНОГО ДВИЖЕНИЯ

В начале 1990-х годов Тамаш Вицек и Эшел Бен-Якоб начали изучать процессы роста бактерий Bacillus более детально, пытаясь понять механизм, обеспечивающий круговое движение упоминавшихся бактерий-мутантов. Вицек, как и его коллега, также пришел в биологию из физики, где он уже считался крупным специалистом по росту и формообразованию в неравновесных системах типа ДЛА-кластеров, о которых уже рассказывалось ранее. До этого он ничего не слышал о бойдах, но тоже полагал, что законы, управляющие вихревым движением бактерий, должны быть простыми.

Однако наиболее простая, газокинетическая модель в этом случае была явно неприемлема, так как бактерии существенно отличаются от газовых молекул. Первое и главное отличие заключается в том, что бактерии могут двигаться самостоятельно. Перерабатывая питательные вещества, бактерии вырабатывают энергию и, вращая флагеллами (отростками в виде белковых нитей), как пропеллерами, могут перемещаться в окружающей среде. В отличие от молекул, столкновения между которыми происходят по законам ньютоновской механики с сохранением, хотя бы частично, импульса частиц, бактерии способны «злостно нарушать» законы механики и регулировать свою скорость, т.е. ускоряться, замедляться или даже останавливаться в пространстве. Собственно говоря, именно способность к самостоятельному движению делает колонию бактерий неравновесной системой, так как, вырабатывая энергию внутри системы, бактерии все дальше уводят ее от равновесного состояния.

В 1994 году Вицек и его студент Андраш Чирок придумали интересную модель для описания движения клеточных бактерий, в которой каждая бактерия рассматривалась в качестве «самодвижущейся» частицы. Такие частицы лишь отдаленно походили на максвелловские молекулы, поскольку они не только обладали способностью самостоятельно передвигаться, но и подчинялись некоторой заранее заданной «программе» поведения. Правила программы действительно являлись очень простыми: все клетки имели одинаковую скорость, но каждая из них выбирала направление движения, усредняя направления движения ближайшего окружения, т. е. клеток, находящихся на некотором расстоянии от нее. Легко заметить, что эти правила очень похожи на правила Рейнольдса для движения бойдов.