Последним нюансом, касающимся хаоса, является странный вид порядка, скрывающегося за этим хаосом. Хаос не есть нечто бесформенное (вопреки, как было сказано выше, обыденному смыслу этого слова). Скрытый смысл структуры, лежащей в основе хаоса, проявляется в работе действующего макета водяного колеса с его бесконечной последовательностью вращений то в ту, то в другую сторону; несмотря на то что эта последовательность никогда не повторяется в деталях, в целом ее характер остается одним и тем же. В хаосе заложена некая сущность – качество, которое никогда не изменяется.
Когда в начале 1960-х годов Лоренц анализировал свою «маленькую модель», ему удалось силой собственного воображения уловить сущность подлинного хаоса. Он принимал вид некой геометрической фигуры, чего-то необычного, не вполне поверхности, но и не твердого тела, имеющего четкие очертания. Задолго до появления современной компьютерной графики такую фигуру было не так-то просто воспроизвести и визуализировать. Даже после того как Лоренц нарисовал ее в собственном воображении, ему было очень трудно подобрать слова, чтобы передать ее необычную геометрию. Он описывал ее как «бесконечное сочетание поверхностей». В наши дни это получило название «странного аттрактора»[191][192].
Точно так же как окружность является формой периодичности, странный аттрактор является формой хаоса. Он пребывает в неком абстрактном математическом пространстве, называемом пространством состояний, координатные оси которого представляют все переменные в некой физической системе. Уравнения Лоренца содержали три переменные, поэтому его пространство состояний является трехмерным. В случае водяного колеса – точного механического аналога уравнений Лоренца – одна из переменных говорит нам о том, как быстро и в каком направлении вращается это колесо, тогда как две другие переменные характерихуют два конкретных аспекта того, как распределяется вода по периметру колеса. Значения этих переменных в тот или иной момент определяют конкретную точку в пространстве состояний, соответствующую «фотографии» данной системы в этот момент времени.
В следующий момент состояние системы изменится в результате поворота колеса, а также вытекания и перераспределения воды. Увлекаемая своей собственной динамикой, система действует, переходя из состояния в состояние. Подобно схемам в уроках танцев Артура Мюррея, уравнения Лоренца – это правила, описывающие каждый ваш следующий шаг. Они определяют бесконечно малые стрелки в каждой точке пространства состояний. В какой бы точке ни оказывалось состояние системы, оно должно следовать за стрелкой в данной точке; эта стрелка сразу же переводит систему в следующую точку, где этот процесс повторяется, и т. д. Время идет, и значения переменных изменяются, точка перемещается в пространстве состояний, прочерчивая непрерывный путь, называемый траекторией, и летит, подобно комете в вымышленном мире, который существует лишь в воображении математика. Прелесть этой идеи заключается в том, что она трансформирует динамику в геометрию. Хаотическое движение становится некой картиной – чем-то таким, что мы можем увидеть, статическим образом, который мы можем рассматривать и изучать.
На что же похож хаос? Упомянутая нами траектория бесконечно долго бороздит просторы пространства состояний. Она никогда не завершается и не пересекает сама себя, поскольку хаос никогда не повторяется. Лоренцу удалось доказать, что его траектория никогда не выходит за пределы определенной большой сферы, поэтому она никогда не может уйти в бесконечность. Замкнутая внутри этой сферы, приговоренная бесконечно долго блуждать внутри нее, ни разу не пересекаясь сама с собой, эта траектория должна следовать очень сложным путем. Возникает соблазн представить ее в виде клубка, намотанного из бесконечно длинной нити и лишенного какой-либо структуры.
Но примитивная компьютерная графика, отображающая уравнения Лоренца, показала, что эта траектория подчинена строгой логике и замкнута лишь в крошечной части доступного ей пространства. Создается впечатление, что она натянута на некую поверхность – микроскопически тонкую мембрану, форма которой, по иронии судьбы, похожа на пару крыльев бабочки. Траектория «наматывается» вокруг одного из таких крыльев, удаляясь по спирали от центра. Затем, приблизившись к краю крыла, она устремляется к другому крылу и начинает вращение по спирали вокруг этого крыла. Переходя то к одному крылу, то к другому, траектория совершает вокруг каждого крыла непредсказуемое количество витков. Это очень похоже на то, как водяное колесо совершает непредсказуемое количество поворотов то в одном, то в другом направлении.
Пытаясь разобраться в картине, которую предоставил ему компьютер, Лоренц понял, что здесь что-то «не так». Он знал, что траектория не может быть привязана к какой-то определенной поверхности: в противном случае она обязательно должна была пересекать сама себя. Крылья бабочки могли бы быть похожи на единую поверхность, но они должны были бы состоять из бесконечно большого количества слоев, упакованных настолько тесно между собой, что их невозможно было бы отличить друг от друга, подобно пластинкам слюды.
Такое сочетание бесконечно большого множества поверхностей – этот странный аттрактор – воплощает в себе новый вид порядка. Несмотря на то что «маршрут» траектории непредсказуем в деталях, он всегда остается на аттракторе, всегда пролегает через одно и то же подмножество состояний. Такая узость репертуара представляет собой проявление порядка, заложенного в хаосе, и объясняет, почему его сущность всегда остается неизменной.
Чтобы сделать эти абстракции более конкретными, попытайтесь представить себе странный аттрактор в виде футуристического автомобильного паркинга из фильма «Сумеречная зона» (Twilight Zone). Гараж полностью автоматизирован. Пока вы пассивно сидите за рулем автомобиля, буксирное устройство цепляет ваш автомобиль и перетаскивает его на свободное место в гараже. Подобно аттрактору Лоренца, гараж имеет два крыла; в данном случае будем называть их восточной и западной башнями, каждая из которых содержит бесконечно большое число уровней. Когда вы готовы отправиться в дорогу, вы нажимаете на кнопку, чтобы включить буксирное устройство. В течение какого-то времени вы спускаетесь и чувствуете, что спуск действительно происходит, хотя вас несколько мутит от бесконечного кружения по всем этим многочисленным уровням; внезапно у вас возникает ощущение, что вы отнюдь не приблизились к поверхности земли, оказавшись вместо этого у верхнего уровня противоположной башни. В ходе этой дьявольской езды вы продолжаете бесконечно кружить по многочисленным уровням, оказываясь в непредсказуемые моменты времени то в одной, то в другой башне. Вы обречены кружить по этим уровням до бесконечности. Хотя вам никак не удается выбраться из этой ловушки, ваш путь ни разу не повторяется. Вы можете случайно вернуться на тот же уровень той же башни, но никогда в ту же самую точку.
Такая вот судьба у траектории на аттракторе Лоренца. Буксирное устройство – это дифференциальное уравнение; именно оно определяет траекторию: и ее скорость, и ее направление в каждый момент времени. Эти правила носят совершенно детерминированный характер: судьба траектории определяется ее начальными условиями. Вернемся к нашей аналогии с паркингом: если каждый раз начинать с одного того же парковочного места в гараже, то вас вместе с вашим автомобилем будут буксировать каждый раз по одному и тому же пути, ускоряясь и замедляясь в одних и тех же местах. Эффект бабочки выражается посредством высокой зависимости от начальных условий: возвращаясь к аналогии с паркингом, если вас и человека, находящегося в соседнем с вами автомобиле, попросят покинуть стоянку в один и тот же момент времени, то в течение какого-то времени буксирное устройство будет перемещать вас обоих по одному и тому же маршруту – в чем вы оба можете легко убедиться, наблюдая друг за другом из окна своего автомобиля, – но очень скоро ваши пути и судьбы разойдутся. После этого картины вашего кружения в двух башнях окажутся совершенно некоррелированными. Тем не менее существование странного аттрактора обеспечивает некую разновидность порядка. Вы обречены на бесконечное кружение в этом гараже, повторяя до бесконечности одни и те же состояния, хотя и не в одной и той же последовательности.
Несмотря на то что описанная выше форма хаоса многим читателям покажется кошмарной, его голос звучит на удивление успокаивающе. Если его воспроизвести с помощью громкоговорителя, то окажется, что хаос звучит подобно так называемому белому шуму, подобно мягкой статике, которая помогает уснуть людям, страдающим бессонницей. Осенью 1988 г., когда у физика Лу Пекора родилась мечта[193] об использовании хаоса для каких-либо практических целей, он уловил в звуках, издаваемых хаосом, – в звуках, которые воспринимались всеми остальными исследователями лишь как примитивное, бессмысленное шипение, – надежду на осуществление своей мечты.
По жизни Лу Пекора – беззаботный и веселый человек со скромными манерами. В середине 1980-х годов он работал в научно-исследовательской лаборатории ВМС США, что в Вашингтоне, занимаясь изучением аннигиляции позитронов в твердых телах, спиновых волн в магнитах и некоторых других проблем физики твердого тела. Подумывая о том, чтобы сменить направление своих исследований, и будучи заинтригован ажиотажем вокруг теории хаоса (в то время это было самой животрепещущей темой в физике), он пытался найти оправдание переключения своих научных интересов на столь эзотерический предмет. Он знал, что его начальство отнесется к такому поступку более благосклонно, если он сможет указать какие-либо практические применения хаоса (например, в военной или какой-либо другой области). Столь прагматический подход к теории хаоса (который задним числом представляется вполне естественным) оказался полной неожиданностью для тех, кто занимался исследованием хаоса. До того времени этим занимались чистые теоретики, которых интересовала природа хаоса как таковая и которым не было никакого дела до того, найдутся ли какие-либо практические применения разрабатываемой ими теории.