Kitobni o'qish: «Сложность. Путешествие от хаоса к порядку, жизни и смыслу»

Всё течёт.

Гераклит

Как устроена эта книга

Эта книга — путеводитель по науке о сложных системах: от первого, интуитивного «вижу» до глубокого понимания и нового взгляда на мир. Её цель — не только знания, но и смена оптики.

Книга ведёт по четырём уровням, и каждая часть поднимает на ступень выше. Сначала — научиться видеть сложное (часть I). Затем разобрать его на механизмы: обратные связи, нелинейность, хаос, сети, отбор (части II–V). Потом собрать всё на живых системах, от клетки до планеты (часть VI). И наконец встроить это в мышление и действие (часть VII).

В каждой главе три опоры: история и люди (откуда идея и кто её придумал), мягкая модель (чёткая, но объяснённая на пальцах, без тяжёлой математики) и реальные кейсы из биологии, экономики и физики. Завершает главу блок «Мост в жизнь» — что это меняет в вашем взгляде на мир.

Математика — на уровне здравого смысла и наглядных образов; формулы появляются только там, где без них теряется суть, и всегда разбираются по шагам.

Это рабочий черновик: семь частей, тридцать шесть глав. Его можно сокращать, углублять и шлифовать.

Часть первая
Другой взгляд на мир

Целое есть нечто большее, чем сумма его частей.

приписывается Аристотелю

Большее — это иное.

Филип Андерсон, 1972

Зачем вообще нужна отдельная наука о сложном? Эта часть отвечает на вопрос прежде, чем мы займёмся механизмами. Сначала — научиться смотреть. Четыре главы впереди меняют не объём ваших знаний, а угол зрения: после них муравейник, мозг, рынок и город перестают быть разными темами и становятся одним вопросом.

Глава 1
Мир, который не разбирается на части

Стая, у которой нет вожака

Осенним вечером над полем поднимается стая скворцов — десятки тысяч птиц. Облако из живого вещества сжимается и растягивается, закручивается воронкой, раскалывается надвое и снова срастается, темнеет и светлеет, будто внутри него ходят волны. Англичане называют это словом murmuration, бормотание. Кажется, что стая — единое существо с собственным замыслом.

Но замысла нет. Нет ведущей птицы, которой подчиняются остальные. Нет диспетчера, плана, дирижёра. Каждый скворец занят простой задачей: держаться рядом с несколькими ближайшими соседями, не врезаться в них и лететь примерно туда же, куда летят они. Всё. Из этих трёх скромных правил, помноженных на тысячи особей, рождается фигура, которую ни один скворец не задумывал и не способен увидеть целиком.

Здесь стоит остановиться, потому что в этой картинке спрятана вся книга. Поведение, которое выглядит как разумный замысел, возникает без замысла. Порядок появляется без того, кто его наводит. Целое делает то, чего не умеет ни одна его часть.

Часы и облако

Философ Карл Поппер предложил делить вещи мира на часы и облака. Часы — это всё точное, разборное, предсказуемое. Разберите часы на детали, изучите каждую шестерёнку, поймите, как они сцеплены, — и вы поняли часы целиком. Соберите обратно — они снова пойдут. Часы — воплощение мечты: чтобы понять, достаточно разъять.

Облако — другое. У него нет деталей, которые можно вынуть по одной. Его границы размыты, форма течёт, поведение не предсказать надолго вперёд. Облако нельзя разобрать и собрать обратно тем же самым.

Соблазн классической науки состоял в том, чтобы считать все облака просто очень сложными часами — мол, дайте срок, и мы разложим и облако на шестерёнки. Наука о сложных системах начинается с подозрения, что это не так. Что между идеальными часами и бесформенным облаком лежит огромная, самая интересная область мира — стаи, клетки, мозги, города, рынки, экосистемы, — и устроена она по своим законам, которые не сводятся ни к чистому порядку часов, ни к чистому хаосу облака.

Почему «разобрать, чтобы понять» иногда не работает

Метод «разобрать на части» называют редукционизмом, и спорить с его силой странно: на нём построена вся современная наука. Хотите понять вещество — найдите молекулы. Молекулы — найдите атомы. Атомы — частицы. Стратегия «спускайся вниз, пока не упрёшься в простое» дала нам химию, биологию, медицину, технику. Это одно из величайших интеллектуальных изобретений человечества, и мы ещё отдадим ему должное.

Но попробуйте применить его к стае скворцов. Поймайте одну птицу и изучите её до последнего пера — вы не найдёте в ней той фигуры, что ходила волнами по небу. Узора нет ни в одной птице. Он живёт не в частях, а в отношениях между ними — в том, кто на кого смотрит и кто за кем поворачивает. Разберите стаю на птиц, и узор исчезнет, как исчезает мелодия, если разложить её на отдельные ноты и спросить, в которой из них пряталась музыка.

Вот первая важная мысль: у некоторых вещей главное свойство хранится не в деталях, а в связях. Разбор на части уничтожает именно то, что мы хотели понять. Не потому, что части неважны, а потому, что интересное возникает между ними.

Что общего у муравейника, мозга, рынка и города

Теперь посмотрите на четыре очень разные вещи.

Муравейник решает задачи, которые не по силам ни одному муравью: находит кратчайшие пути к еде, регулирует температуру в гнезде, перестраивает работу при нехватке рабочих. При этом ни один муравей не держит в голове плана муравейника. Каждый следует простым правилам и реагирует на запах феромонов, оставленных соседями. Муравей глуп; муравейник умён.

Мозг состоит из нейронов. Отдельный нейрон — несложная клетка: накопил сигнал, превысил порог, выстрелил импульсом дальше. В одном нейроне нет ни мысли, ни образа, ни «вас». Но восемьдесят с лишним миллиардов таких клеток, сплетённых в сеть, порождают зрение, память, речь и самоощущение. Где-то на пути от клетки к сети возникает разум — хотя ни одна клетка о нём не подозревает.

Рынок назначает цену на хлеб. За этой ценой не стоит никто конкретный: ни чиновник, ни совет директоров мира. Цена складывается сама из миллионов мелких решений — кто что купил, кто что придержал, кто сколько вырастил. Никто не знает всего, но система в целом сводит спрос и предложение и упаковывает рассеянное по головам знание в одно число — цену.

Город никто не проектировал целиком. Кварталы, потоки людей, районы ремёсел и районы тишины, ритмы утра и вечера — всё это сложилось из бесчисленных частных выборов, где жить, где торговать, куда идти. И всё же у каждого города есть узнаваемый характер, который переживает любого отдельного жителя.

За этими четырьмя примерами — одна и та же странная конструкция. Много простых частей. Связи и взаимодействия между ними, в основном локальные: каждая часть «видит» только соседей. Никакого центра, который всем управляет. И при этом — устойчивый, осмысленный, нередко умный порядок на уровне целого, которого нет ни в одной части. Такие конструкции и называют сложными системами. Слово «сложный» здесь — не про то, что трудно разобраться. Оно про то, что целое сплетено из взаимодействующих частей и за счёт этого живёт собственной жизнью.

Главный вопрос книги

Если у стаи нет вожака, у муравейника — архитектора, у рынка — назначающего цены, у мысли — отдельной клетки-мыслителя, то откуда всё это берётся? Как из множества глупых, слепых, локальных взаимодействий рождается умное, дальновидное, глобальное поведение? Как порядок возникает без того, кто его наводит, а сложное — без того, кто его задумал?

Это и есть главный вопрос книги. У него красивое имя — самоорганизация, — и почти всё дальнейшее будет разными подступами к нему. Мы увидим, что у природы есть небольшой набор приёмов, которыми она снова и снова делает целое из частей: обратные связи, нелинейность, отбор, сети связей. Эти приёмы повторяются в таких далёких местах, что начинаешь подозревать единый почерк за муравейником и мозгом, за рынком и ливнем, за эволюцией жизни и ростом города.

Заметьте, что это переворачивает привычный вопрос. Обычно мы спрашиваем: на какие части это разбирается? Наука о сложности добавляет второй, не менее важный вопрос: что нового появляется, когда части соединяются? Первый вопрос ведёт вниз, к атомам. Второй — вверх, к стае, мысли и городу. Вся книга — про движение вверх.

Мост в жизнь

Начните замечать вокруг себя «стаи без вожака». Пробка на дороге — у неё нет зачинщика, она ползёт назад по потоку машин как волна, хотя каждый водитель едет вперёд. Слух, мода, паника, очередь, аплодисменты, сходящиеся в общий ритм, — порядок, который никто не объявлял. Настроение коллектива, которое не задаёт ни один сотрудник в отдельности. Репутация, складывающаяся из тысяч разговоров, где вас не было.

Стоит один раз увидеть эту конструкцию — много частей, локальные связи, нет центра, а целое живёт само, — и вы начнёте узнавать её повсюду. Это и есть смена оптики, ради которой написана первая часть. Остальные главы дадут инструменты. Но первый и главный сдвиг уже произошёл: вы перестали считать, что у всякого порядка обязан быть распорядитель.

Глава 2
Триумф и предел часового механизма

Малые различия в начальных условиях порождают очень большие — в конечных явлениях… Предсказание становится невозможным.

Анри Пуанкаре

Мечта о вычислимой Вселенной

Чтобы оценить новизну взгляда из первой главы, нужно понять, против чего он восстаёт. А восстаёт он против одной из самых прекрасных идей в истории мысли — против Вселенной как совершенного часового механизма.

В 1687 году Исаак Ньютон опубликовал законы движения и закон всемирного тяготения. Несколькими строчками формул он связал падение яблока и ход планет. Оказалось, что одни и те же правила управляют и брошенным камнем, и Луной, и приливами, и кометой, которую теперь можно было предсказать на годы вперёд. Это был шок и триумф: мир подчиняется немногим точным законам, и, зная их, человек способен вычислять будущее небес.

Через сто с лишним лет Пьер-Симон Лаплас довёл эту мысль до предела и придумал образ, который преследует науку до сих пор. Вообразите, сказал он, разум, которому в данный миг известны положения и скорости всех частиц во Вселенной и который достаточно силён, чтобы всё это просчитать. Для такого разума не было бы ни прошлого, ни будущего — всё развернулось бы перед ним как на ладони, до конца времён. Этот воображаемый счётчик и есть знаменитый демон Лапласа.

В демоне — суть механистической картины мира. Будущее уже содержится в настоящем, как ответ задачи содержится в её условии. Случайность — лишь имя нашему незнанию. Дайте достаточно данных и вычислительной мощи, и всякая тайна растворится. Мир — это часы, и достаточно большой ум прочёл бы по ним любое время.

Сила и граница редукционизма

Из этой картины естественно вырастает редукционизм — стратегия «понять целое через части», о которой мы говорили. Если мир собран из частиц, подчиняющихся законам, то понять что угодно значит спуститься к его кирпичикам и их правилам. Болезнь — к клеткам и молекулам. Вещество — к атомам. Это сработало настолько грандиозно, что мы живём внутри его плодов: антибиотики, электроника, химия, генетика — всё это победы движения вниз, к простому.

И всё же у метода есть граница, которую долго не замечали. Спуститься к частям — половина дела. Чтобы понять стаю, мозг или город, нужно ещё уметь подняться обратно: показать, как из частей и их связей складывается поведение целого. А вот этот обратный путь — снизу вверх — редукционизм не описывает. Знать всё про нейрон не значит понимать мысль. Знать всё про молекулу воды не значит уметь предсказать ураган. Между уровнем частей и уровнем целого есть разрыв, и именно в нём прячется сложность.

Иначе говоря, разобрать часы и понять часы — это про одно и то же только для часов. Для облака разбор не даёт понимания, потому что понимать здесь нужно не детали, а то, как они вместе порождают новое.

Три удара по демону

В XX веке выяснилось, что демон Лапласа невозможен — и не из-за нехватки данных, а по устройству самого мира. Его подкосили три удара.

Первый — термодинамика и стрела времени. Разбейте чашку: осколки никогда не соберутся обратно сами. Размешайте каплю чернил в воде: она расплывётся, но не соберётся в каплю. Законы Ньютона симметричны во времени — их можно прокрутить назад, — а мир вокруг явно нет. Физики поняли, что у мира есть направление: беспорядок (его мера — энтропия) в целом нарастает. Но если время необратимо, то демон, который якобы читает и прошлое, и будущее одинаково, упирается в стену. Прошлое и будущее устроены по-разному.

Второй удар — квантовая механика. На самом дне материи природа оказалась не точной, а вероятностной. Нельзя одновременно знать и точное положение, и точную скорость частицы — не потому, что приборы грубы, а потому, что у частицы попросту нет одновременно того и другого с идеальной точностью. А ведь демону для старта нужны как раз точные положения и скорости всего на свете. Их не существует. Фундамент, на котором он стоял, растворился.

Третий удар — и для нашей книги главный — это хаос. Оказалось, что даже в полностью «ньютоновском», детерминированном мире без всякой квантовой дымки есть системы, чьё будущее невозможно предсказать надолго. Причина — чувствительность к начальным условиям: ничтожная разница в старте разрастается со временем в громадную разницу в исходе. Об этом ещё на рубеже XIX–XX веков предупреждал математик Анри Пуанкаре, изучая движение всего лишь трёх притягивающихся тел. Полвека спустя метеоролог Эдвард Лоренц наткнулся на то же самое в своей модели погоды — и подарил миру образ бабочки, взмах крыла которой способен через недели обернуться бурей за океаном. (К Лоренцу и бабочке мы вернёмся отдельной главой.)

Заметьте тонкость третьего удара. Здесь мир остаётся строго детерминированным: каждое следующее состояние однозначно вытекает из предыдущего, никакой случайности в правилах нет. И всё равно предсказание невозможно — потому что для дальнего прогноза нужно знать старт с бесконечной точностью, а такой точности нет ни у кого. Детерминированность и предсказуемость, которые демон считал одним и тем же, оказались разными вещами. Мир может подчиняться железным законам и при этом быть непрогнозируемым.

Падение демона — и что осталось

Итак, демон Лапласа пал трижды: время направленно, дно материи вероятностно, а детерминизм не гарантирует предсказуемости. Часовая Вселенная, в которой будущее уже вычислено и лишь ждёт прочтения, оказалась слишком тесной для настоящего мира.

Но падение демона — не поражение разума и не призыв опустить руки. Скорее это освобождение. В часовом мире, где будущее предрешено, нет места по-настоящему новому: всё уже заложено в начале, остаётся лишь промотать плёнку. Мир, в котором ничтожные причины могут разрастаться, в котором у времени есть направление, а у целого — свойства, которых нет в частях, — это мир, где возможно подлинно новое. Где может возникнуть жизнь, мысль, история. Наука о сложности — попытка всерьёз отнестись именно к такому миру: не отказаться от законов, но признать, что из строгих законов рождается то, что ни один демон не просчитает заранее.

Мост в жизнь

Демон Лапласа жив в наших головах. Он шепчет: «Будь у меня все данные, я бы всё предсказал». На нём держится иллюзия, что при достаточном старании можно точно спланировать экономику на годы вперёд, угадать курс акций, расписать чужую судьбу или собственную карьеру по пунктам.

Сложность учит другому различению — не между знанием и незнанием, а между тем, что в принципе предсказуемо, и тем, что нет. Затмение Луны можно вычислить на век вперёд: это часы. Погоду — лишь на дни: это уже почти облако. Какая идея завтра захватит миллионы — здесь точного прогноза не существует в принципе, и больше данных не спасёт. Зрелость в сложном мире начинается с того, чтобы перестать стыдиться слов «этого нельзя предсказать» и научиться отличать вопросы-часы от вопросов-облаков. Первым — расчёт. Вторым — не прогноз, а готовность, гибкость и наблюдение за тем, как система разворачивается на самом деле.

Глава 3
Рождение науки о сложности

Наука, которой не было места

Странность сложных систем в том, что они не помещаются в один научный шкаф. Стая — это биология? Но те же законы у толпы и у косяка машин. Рынок — экономика? Но та же математика описывает лесной пожар и эпидемию. Сложность живёт в зазорах между дисциплинами, а университет устроен по дисциплинам. Поэтому науке о сложном пришлось рождаться несколько раз, в разных местах, прежде чем у неё появился общий дом. Эта глава — про людей, которые её собирали.

Кибернетика: Винер и обратная связь

Первый подступ случился в годы Второй мировой. Математик Норберт Винер бился над задачей: как навести зенитное орудие на самолёт, который маневрирует и уворачивается? Стрелять надо не туда, где самолёт сейчас, а туда, где он окажется. Система должна следить за целью, сравнивать прицел с её движением и постоянно подправлять себя по разнице между желаемым и действительным.

В этой задаче Винер разглядел нечто всеобщее. Та же петля — действие, наблюдение результата, поправка — управляет рукой, тянущейся к чашке, и термостатом, держащим тепло в доме, и телом, удерживающим постоянную температуру, и рулевым, ведущим корабль. Винер назвал эту науку об управлении и связи кибернетикой — от греческого слова, означающего «кормчий», рулевой. Ключевым понятием стала обратная связь: выход системы возвращается на её вход и влияет на следующий шаг. Это первый из приёмов, которыми мир делает сложное из простого, и ему мы посвятим отдельную главу.

Радикальной была сама дерзость взгляда: машина, животное и общество описываются одним языком — языком потоков информации и контуров обратной связи. Впервые «цель», «управление», «регуляция» перестали быть только словами про живое и про человека и стали свойствами систем как таковых.

Общая теория систем: Берталанфи

Примерно тогда же биолог Людвиг фон Берталанфи подходил к той же идее с другой стороны. Его раздражало, что физика привыкла иметь дело с замкнутыми системами, стремящимися к покою и равновесию, — а живое устроено наоборот. Организм — система открытая: сквозь него непрерывно текут вещество и энергия, и держится он не покоем, а потоком. Прекратится поток — наступит равновесие, но равновесие для живого называется смертью.

Берталанфи предложил искать общие законы систем как таковых — независимо от того, из чего система сделана: из клеток, людей или машин. Он заметил, что у клетки, организма, популяции и общества есть повторяющиеся черты — иерархия уровней, открытость потоку, способность держать себя в устойчивом состоянии вдали от равновесия. Так появилась общая теория систем — программа поиска принципов, работающих поперёк всех наук. Сложность ещё не имела имени, но контур её будущего дома уже намечался.

Параллельные ручьи

Дальше, в 1960–70-е, в разных углах науки независимо забили ручьи, которым предстояло слиться. Метеоролог Эдвард Лоренц нашёл хаос в уравнениях погоды. Математик Бенуа Мандельброт разглядел в изломанных берегах, облаках и биржевых графиках новую геометрию природы — фракталы. В Брюсселе химик и физик Илья Пригожин показал, как вдали от равновесия из хаоса сам собой рождается порядок, и получил за это Нобелевскую премию. Биолог Стюарт Кауффман размышлял, не возникает ли жизнь и порядок «даром», по законам самоорганизации, ещё до всякого отбора. Каждый копал свой колодец — в метеорологии, математике, химии, биологии, экономике — и натыкался на одну и ту же подземную воду: простые правила, рождающие сложное поведение.

Не хватало одного — места, где эти люди оказались бы за одним столом. Дисциплины разводили их по разным зданиям и журналам. Открытие, общее для химии и экономики, не имело куда напечататься, потому что не принадлежало ни той ни другой.

Институт Санта-Фе

Такое место появилось в 1984 году в городке Санта-Фе в Нью-Мексико. Группа учёных, многие — из соседней Лос-Аламосской лаборатории, основала институт принципиально нового устройства. В нём не было кафедр физики, биологии или экономики. Была единственная негласная тема — сложность — и правило сажать за один стол людей, которых обычная наука держит порознь.

Среди отцов-основателей выделялся Мюррей Гелл-Манн — физик, придумавший кварки и получивший Нобелевскую премию, человек невероятной широты. Он мечтал о науке, которая изучала бы общие законы сложного в природе и обществе, и в шутку предлагал назвать её «плектикой» — от греческого корня со смыслом «сплетённое». Имя не прижилось, а дело пошло.

Идейным знаменем Санта-Фе стала короткая статья другого нобелевского физика, Филипа Андерсона, опубликованная ещё в 1972 году под дерзким заголовком «Большее — это иное» (More is Different). Андерсон спорил с привычным убеждением, будто, зная законы частиц, мы в принципе знаем всё, а остальные науки — лишь приложение физики. Неправда, возражал он. На каждом новом уровне сложности — у молекул, у клеток, у организмов, у обществ — появляются собственные законы, которые не выводятся из законов уровня ниже. Из большего возникает иное. Скопление частиц обретает свойства, о которых одна частица не имеет понятия: твёрдость, температуру, жизнь, мысль. Это и есть эмерджентность, и это прямое научное оправдание движения вверх, к целому, а не только вниз, к частям.

Был среди ключевых фигур и Джон Холланд — не физик, а пионер вычислений. Он придумал генетические алгоритмы — программы, которые решают задачи, подражая эволюции: плодят множество вариантов решения, отбирают лучшие, скрещивают и мутируют их. И он же ввёл в оборот само понятие сложных адаптивных систем — систем из множества агентов, которые действуют по своим правилам, учатся на опыте и подстраиваются под среду и друг под друга. Иммунитет, экономика, экосистема, мозг — для Холланда это были варианты одной конструкции. Его книги с говорящими названиями вроде «Скрытого порядка» стали мостом между живым, экономическим и вычислительным.

Что именно родилось

Важно понять, чем стала наука о сложности, а чем — нет. Это не ещё одна дисциплина рядом с физикой и биологией, со своим уголком мира. Это, скорее, особая оптика и общий набор инструментов, которые прикладывают к мирам очень разной природы. Физик, биолог, экономист и программист в Санта-Фе обнаружили, что говорят на одном языке — про обратные связи, нелинейность, эмерджентность, сети, отбор, — и что модель, придуманная для песчаной кучи, кое-что объясняет в обвале биржи, а математика эпидемии описывает и распространение слухов.

Кибернетика дала понятие обратной связи. Берталанфи — взгляд на систему как на открытое целое. Лоренц, Мандельброт, Пригожин, Кауффман — конкретные механизмы рождения сложного из простого. Санта-Фе свёл всё это под одну крышу и превратил разрозненные прозрения в общий способ думать. Дальше в книге мы будем разбирать эти инструменты по одному. Но теперь вы знаете, что они не свалились с неба и не принадлежат одной науке: они выкованы людьми, которым стало тесно в стенах между дисциплинами.

Мост в жизнь

Из этой истории стоит вынести не только имена. Главное открытие Санта-Фе — методологическое: самые интересные задачи живут на границах, между готовыми ящиками с надписями «экономика», «биология», «техника». Если вас тянет к вопросу, который не помещается ни в одну привычную рубрику, это, скорее всего, не разбросанность, а чутьё на сложность.

И ещё одно, практическое. Сильнейший ход науки о сложности — переносить решение из одной области в другую, потому что под разными оболочками прячется одна и та же конструкция. Поняв, как гасят каскад отказов в электросети, вы кое-что поймёте и про панику на рынке. Разобравшись, как иммунитет учится распознавать новое, вы иначе посмотрите на то, как учится организация. Привычка спрашивать «а на что ещё это похоже по устройству?» — один из самых мощных инструментов мышления, которые даёт эта книга.