Конечно, если рассматривать ее в короткой перспективе, она выглядит устойчивой, но даже сегодня никто не уверен в том, что орбиты некоторых планет не перестанут быть гелиоцентрическими, заставив небесные тела навсегда покинуть Солнечную систему.
Система вроде шарового звездного скопления слишком запутанна, чтобы исследовать ее «в лоб», как задачу многих тел. Однако динамику скопления можно изучить, прибегнув к некоторым хитростям. Вполне допустимо, в частности, рассматривать единичные звезды, путешествующие в пространстве, в некотором усредненном гравитационном поле с определенным центром тяготения. Однако время от времени две звезды будут подходить друг к другу настолько близко, что их взаимодействие нужно будет рассматривать отдельно. Астрономы поняли, что шаровые скопления вообще не должны быть устойчивыми: внутри них обычно образуются так называемые бинарные звездные системы, в которых звезды парами перемещаются по небольшим компактным орбитам. Когда с подобной системой встречается третья звезда, одна из трех, как правило, получает резкий толчок. Со временем энергия, полученная ею благодаря такому взаимодействию, достигнет уровня, достаточного для того, чтобы звезда набрала скорость, позволяющую вырваться из скопления. Таким образом одно из тел покидает систему, а пространство скопления после этого слегка сжимается. Когда в 1960 году в Париже Эно выбрал эту задачу темой своей диссертации, он произвольно предположил, что шаровое звездное скопление, изменив свой масштаб, останется самоподобным. Произведя расчеты, ученый получил потрясающий результат: ядро скопления «сплющится», приобретая кинетическую энергию и стремясь к бесконечно плотному состоянию. Подобное трудно было вообразить. Да и данные исследования скоплений, полученные к тому времени, не подтверждали этот вывод. Однако теория Эно, впоследствии названная гравотермальным коллапсом, постепенно овладевала умами ученых.
Ободренный результатом и готовый к неожиданностям, весьма вероятным в научной работе, астроном занялся более легкими вопросами динамики звезд. Он попытался применить математический подход к давно существующим проблемам.
Посетив в 1962 году Принстонский университет, Эно впервые получил доступ к компьютеру и, подобно Лоренцу в Массачусетсом технологическом институте, использовавшему компьютер для метеорологических целей, начал моделировать орбиты звезд вокруг их центров тяжести. В рамках разумного упрощения галактические орбиты можно рассматривать как орбиты планет, но с одним лишь исключением: центром гравитации здесь является не точка, а трехмерный диск.
Эно пошел на компромисс с дифференциальными уравнениями. «Для большей свободы исследований, – говорил он, – забудем на мгновение, что проблема взята из астрономии»[214]. Хотя ученый не упомянул об этом, «свобода исследований» частично означала возможность использовать компьютер. Объем памяти его вычислительной машины, весьма тугодумной, был в тысячу раз меньше, чем у персональных компьютеров, появившихся двадцать пять лет спустя. Но, как и другие специалисты, позднее работавшие над проблемами хаоса, Эно полагал, что упрощенный подход себя полностью оправдает. Концентрируясь лишь на самой сути своей системы, он сделал открытия, которые можно было применить и к другим, более сложным системам. Спустя несколько лет расчет галактических орбит все еще считался «забавой теоретиков», тем не менее динамика звездных систем превратилась в объект скрупулезных и дорогостоящих исследований. К ней обратились в основном те, кого интересовали орбиты частиц в ускорителях и стабилизация плазмы в магнитном поле для запуска термоядерной реакции.
За период около двухсот миллионов лет звездные орбиты в галактиках, вместо того чтобы превратиться в идеальной формы эллипсы, обретают три измерения. Представить наглядно реально существующие трехмерные орбиты так же непросто, как и воображаемые конструкции в фазовом пространстве. Это побудило Эно прибегнуть к приему, аналогичному рассмотрению отображения Пуанкаре: ученый вообразил, что на одном конце галактики вертикально расположили плоский лист таким образом, чтобы каждая орбита, подобно лошади, минующей на скачках финишную черту, проходила сквозь него. Эно отмечал точку, в которой орбита пересекала плоскость, и прослеживал движение точки от одной орбиты к другой.
Эно отмечал точки вручную, но многие специалисты, применявшие подобную технику, уже работали с компьютером, наблюдая, как точки вспыхивают на экране, словно фонари, зажигающиеся один за другим с наступлением сумерек. Типичная орбита начиналась с точки в левом нижнем углу изображения, затем, при следующем обороте, точка смещалась на несколько дюймов вправо, новый оборот слегка отклонял ее вправо и вверх, и так далее. Поначалу распознать какую-либо форму в этой россыпи было трудно, однако, когда количество точек переваливало за десять-двенадцать, начинала вырисовываться кривая, напоминающая своими контурами очертания яйца. Последовательно появляющиеся точки фактически проходили эту кривую по кругу снова и снова, но, поскольку они никогда не появлялись на одном и том же месте дважды, со временем, когда количество их возрастало до сотни или тысячи, кривая очерчивалась четко.
Описанные орбиты нельзя назвать полностью регулярными, так как они никогда в точности не повторяются. Однако не будет ошибкой считать их предсказуемыми и далекими от хаотичных, поскольку точки никогда не возникают внутри области, ограниченной кривой, или вне ее. Вернувшись к развернутому трехмерному изображению, можно отметить, что кривые рисуют контур тора, или бублика, а отображение Эно – его поперечное сечение. До поры до времени ученый лишь наглядно изображал то, что его предшественники считали уже доказанным, – периодичность орбит. В обсерватории Копенгагена почти двадцать лет, с 1910 по 1930 год, астрономы тщательно наблюдали и просчитывали сотни орбит, однако их интересовали лишь периодичные[215]. «Как и другие ученые в то время, я был убежден, что все орбиты должны характеризоваться регулярностью», – вспоминал Эно[216]. Однако вместе со своим аспирантом в Принстоне Карлом Хейльсом он продолжал рассчитывать многочисленные орбиты, неуклонно увеличивая энергетический уровень своей абстрактной системы. И вскоре им открылось нечто совершенно новое.
Сначала яйцеобразная кривая стала изгибаться, принимая более сложные очертания и образуя уже восьмерку. Затем она разбилась на несколько отдельных форм, напоминавших петлю, – каждая орбита изгибалась петлей. Далее, на более высоких уровнях энергии, произошла еще одна внезапная метаморфоза. «Настала пора удивляться», – писали Эно и Хейльс[217]. Некоторые из орбит обнаружили такую нестабильность, что точки беспорядочно «скакали» по всему листу бумаги. В отдельных местах еще просматривались кривые, но кое-где точки уже не складывались в линии. Изображение впечатляло: оно было свидетельством полного беспорядка, смешанного с ясными остатками порядка. Все вместе рисовало контуры, наводившие астрономов на мысли о неких «островках» или «гряде островов». Эно и Хейльс пытались работать на двух разных компьютерах и попробовали два разных метода интегрирования, но результаты получались неизменными. Ученым оставалось только изучать их и размышлять. Основываясь на собственных числовых данных, Эно и Хейльс предположили наличие глубокой структуры в полученных изображениях. Они выдвинули гипотезу, согласно которой при увеличении будет появляться все больше и больше островков на все более мелких масштабах – и возможно, так будет продолжаться до бесконечности. Ощущалась острая необходимость в математическом доказательстве, «однако рассмотрение вопроса с точки зрения математики казалось не таким уж легким»[218].
Орбиты вокруг центра галактики. Пытаясь осмыслить траектории, описываемые звездами в пространстве галактики, Мишель Эно рассматривал пересечения орбит с плоскостью. Получавшиеся в итоге образы зависели от суммарной энергии в системе. Точки стабильной орбиты постепенно формировали непрерывную кривую, но на других уровнях энергии обнаруживалась сложная структура – смесь хаоса и упорядоченности, представленная зонами с разрозненными точками.
В итоге Эно занялся другими проблемами, однако четырнадцать лет спустя, узнав о странных аттракторах Давида Рюэля и Эдварда Лоренца, астроном вернулся к этой теме. В 1976 году он уже работал в обсерватории Ниццы, расположенной высоко над Средиземным морем, и там услышал рассказ заезжего физика об аттракторе Лоренца[219]. Гость, по его словам, пытался с помощью различных уловок прояснить изящную «микроструктуру» аттрактора, не добившись, впрочем, ощутимого успеха. Эно решил, что займется этим, хотя диссипативные системы и не входили в сферу его интересов («Иногда астрономы относятся к ним с опаской – уж слишком они беспорядочны»[220]).
И вновь ему показалось разумным сконцентрироваться только на геометрической сущности объекта исследования, абстрагируясь от его физического происхождения. Там, где Лоренц и другие ученые применяли дифференциальные уравнения, описывающие непрерывные изменения в пространстве и времени, Эно использовал разностные уравнения, которые можно было рассматривать во времени раздельно. По его глубокому убеждению, ключом к разгадке служили повторяющиеся операции растягивания и свертывания фазового пространства – те самые, что имитируют действия кондитера, который раскатывает тесто для пирожных, складывает его, затем, вновь раскатав, опять складывает, формируя таким образом хрупкую многослойную структуру. Изобразив овал на листе бумаги и решив растянуть его, Эно избрал для этой операции простую математическую функцию, согласно которой каждая точка овала смещалась в новое положение на фигуре, аркой поднимающейся над центром. Таким образом овал точка за точкой «отображался» на арку. Затем Эно начал вторую операцию – сжатие, которое сдвигало внутрь края арки, делая ее уже. Третье преобразование поворачивало фигуру набок таким образом, чтобы она укладывалась в первоначальный овал. Для простоты вычислений все три построения могли быть объединены в одной-единственной функции.