Реферат: Математика хаоса и первые шаги теоретической истории

Анна Шмелева.

На рубеже тысячелетий все чаще приходится слышать об изменении императивов развития цивилизации, глобальных демографических прогнозах и стратегическом планировании будущего человечества. Специалисты обращаются к математическим методам моделирования исторических процессов. Все это – ключевые понятия новой науки о человеческом обществе. Старое название "история" трещит по швам, поскольку прошлое этой наукой изучается наравне с настоящим и будущим. Она имеет дело с сослагательным наклонением, рассматривает особенности, перспективы и тенденции каждого момента и отличает свершившееся от возможного лишь по координатам на шкале времени.

Обычно компьютер в руках историка ассоциируется или с мультимедиа-энциклопедией, или с игрой "Цивилизация". На самом же деле вопрос куда серьезнее. С 1986 года существует Международная ассоциация History and Computing (AHC), имеющая теперь подразделение в России; в университетах Западной Европы введена специализация по профилю History&Computing, а с 1989 года выходит международный журнал по исторической информатике.

В работе AHC выделилось направление, связанное с математическим моделированием истории.

Трудно поверить, что это реально. Традиционно история считалась гуманитарной наукой. Расчетная задача всегда казалась далеко за пределами мыслимых мощностей – не вычислять же, в самом деле, каждую линию человеческой судьбы, каждое столкновение интересов, каждое решение, озарение и ошибку! Тем более, что весь этот коктейль жизни щедро заправлен субстанцией, именуемой стечением обстоятельств или случайностью.

Однако отметим, что историческая случайность – совсем не то, что случайность математическая. Строго говоря, в истории вовсе нет случайности. В математике случайные процессы принято называть также стохастическими (пример – бросание монетки), а сюрпризы, которые дарит нам судьба, обычно имеют совершенно другое происхождение.

Допустим, вы повстречали в метро одноклассника, которого не видели несколько лет. Накануне вы получили зарплату и отправились на метро за давно планируемой покупкой. Обычно вы ездите на троллейбусе, но из-за гололеда решили, что метро будет надежнее... Вы купили магнитную карточку и пропустили один поезд, сверяя часы. Ваш одноклассник, в свою очередь, планировал выехать несколько раньше, но его начальник по скверной своей привычке остановил его на пороге и полчаса проводил дополнительный инструктаж. И вот в результате в разгар дня вы оказались в одном вагоне метро. Случайна ли эта встреча?

С одной стороны, да, ведь вы ее никак не ожидали. С другой же – среди ее причин нет ни одного случайного, с математической точки зрения, события. Никто из вас, принимая решение, не кидал монетку. Каждый ваш шаг чем-то объяснялся и сам объяснял то, что произошло в дальнейшем. Вы сели в последний вагон поезда, чтобы оказаться ближе к выходу, а он – потому что спешил и вбежал в двери в последний момент. Вы сверяли свои часы, поскольку они у вас ходят не очень точно, и купили двухразовую карточку потому, что редко пользуетесь метро.

Что-то подобное можно сказать и о вашем знакомом, и о машинисте поезда, и о каждом человеке, который повстречался вам по пути. Даже погода в тот день – и та имела свою логику и свои причины. Но в целом переплетение причинно-следственных связей оказалось таким причудливым, что предсказать эту встречу заранее было бы, пожалуй, невозможно.

Мне показалось, что этот пример помогает понять разницу между случайностью и хаосом. Главное в нем не то, что мы физически не можем учесть массу влияющих друг на друга житейских обстоятельств. Тогда мы утешали бы себя мыслью, что вообще-то теоретически задача решается, просто наш вычислительно-мыслительный аппарат пока несовершенен. Ну ничего, пройдет год-два, поставим процессор помощнее и жесткий диск побольше, научимся вводить туда и свои долговременные планы, и свой характер, и свои привычки; добавим те же сведения о знакомых, учтем экономическую ситуацию в стране, расписания общественного транспорта и прогнозы погоды. Вооружим компьютер всеми необходимыми данными, и тогда можно будет рассчитать календарь внезапных встреч на месяцы вперед с точностью до десяти минут.

Представьте себе: открываете утром свой ежедневник, а там пометка: сегодня вы встретите в метро человека, вывод сделан на основе анализа ваших текущих дел и таких-то данных за прошлые годы... Фантастика, но почему бы не помечтать?

Так вот – лучше и не мечтать напрасно. Наука о сверхсложных системах (к числу которых относится и человеческое общество) склоняется к выводу о теоретической невозможности точных предсказаний такого рода. Стоит сказать, что действия в этом направлении уже предпринимались – например, экологами, причем большими силами и на самой современной технике.

В одной из своих статей Г. Г. Малинецкий (ИПМ РАН им. М. В. Келдыша) упоминает масштабный американский проект "Биосфера", когда попытка "сложить мозаику" из большого количества известных данных привела к результатам, "не допускающим какой-либо разумной интерпретации". Можно, конечно, объяснять неудачи тем, что учтено-таки было не все, и анализ мог бы быть еще мощнее, но, скорее всего, тут кроется более глубокая закономерность.

Древние греки считали, что мир начинался с хаоса. Согласно современным историческим подходам, он и теперь во многом хаотичен. "Непредсказуемое поведение того или иного динамического ряда, – говорится, например, в статье М. В.

Таранина (МФТИ), – может быть либо следствием случая, либо следствием того, что процесс описывается хаотической системой уравнений". При этом совершенно не обязательно, чтобы число характеристик системы и закономерностей ее жизни было огромным. Даже система из трех уравнений может содержать хаотический сигнал в качестве решения! Именно "хаотические" системы используются при математическом моделировании исторических процессов.

Кстати, в приведенном мной примере не было доказано, что мы действительно имели дело с хаотической системой. Это только предположение, хотя и похожее на правду. Но чтобы доказать его строго, мне следовало бы формально описать и саму систему, и интересующее нас событие в ней. Результаты "проверки на хаос" считаются положительными при обнаружении в фазовом пространстве системы так называемого странного аттрактора.

ФАЗОВОЕ ПРОСТРАНСТВО – в классической механике и статистической физике – это многомерное пространство, на осях которого откладываются значения обобщенных координат и импульсов всех частиц системы; таким образом, число измерений фазового пространства равно удвоенному числу степеней свободы системы. Состояние системы изображается точкой в фазовом пространстве, а изменение состояния во времени – движением точки вдоль линии, называемой фазовой траекторией.

Мегаэнциклопедия Кирилла и Мефодия, www.km.ru.

Аттрактор, в свою очередь, является странным, если имеет положительный показатель Ляпунова и дробную размерность. Показатель же Ляпунова... но тут, вероятно, мне надо остановиться и отослать заинтересованного читателя к учебнику нелинейной динамики. Главное сказано: хаос имеет свои законы.

Следующим примером я постараюсь показать эти законы в действии.

Одна из самых перспективных математических моделей, используемых сейчас историками, разработана профессором Штутгартского университета Вольфгангом Вайдлихом в начале 90-х годов. В классической модели Вайдлиха уравнений всего два, и они связывают между собой лишь две переменные.

Вообще-то число степеней свободы для человеческого общества стремится к бесконечности, просто историки научились выделять первостепенное. Модель применима к рассмотрению экономической или политической ситуации; она, например, адекватно описывает политику президента СССР в период перестройки.

Однако то, что мы видим на рисунке – не расчеты для конкретного общества, а лишь пример. Это фазовый портрет модифицированной модели Вайдлиха, рассмотренный группой исследователей (А. О. Короткевич, С. А. Плуготаренко и другие) под руководством доктора исторических наук Л. И. Бородкина (МГУ). На этой плоскости в виде точек видны все моменты (фазы) жизни одного гипотетического общества, все, что в нем происходило, происходит и будет происходить, а также все, что возможно или было возможно. Точки выстраиваются в фазовые траектории – это судьбы страны, пути ее развития. Все они одинаково вероятны. Но в каждый момент времени реально осуществляется лишь один.

Согласно модели Вайдлиха, переменная X трактуется как степень влияния и участия народа в демократических процессах принятия решений, а переменная Y – как степень силы и власти правительства (возможны и другие применения модели, например, когда макропеременные характеризуют экономическую, а не политическую ситуацию). Гипотеза авторов работы состояла в том, как выглядят уравнения с участием Х и Y. Эти уравнения были затем численно решены:

a(x)=exp(-k(x - s/2)**2) - 0,5

b(y)=exp(-k(y - s/2)**2) - 0,5

(Такая функция имеет форму "горки", вершина которой находится в точке s/2, а крутизна определяется параметром k. В терминах модели Вайдлиха это "функции влияния" X на Y и Y на X.)

Решение иллюстрирует одну из удивительных исторических закономерностей, открытых в последнее время. Переломные моменты истории не обязательно совпадают с такими громкими событиями, как войны, революции и великие открытия. Момент, когда общество стоит перед выбором, может быть и вовсе никем не замечен, тем более никто не узнает о возможностях, предоставлявшихся некогда и безвозвратно упущенных.

Мы видим в центре плоскости точку (на языке нелинейной динамики – аттрактор), куда фазовые траектории как бы устремляются с целью закончиться в ней. Все производные по времени в этой точке равны нулю; иными словами, если значения переменных каким-то образом достигли X(S), Y(S), то ни в какой обозримой перспективе они уже практически меняться не будут. При всяком небольшом изменении X или Y система, попав на любую из ближайших фазовых траекторий, скоро, плавно и безболезненно вернется в исходное состояние.

Это и есть та самая стабильность, которая во все времена считалась первым признаком процветания. Каковы ее характеристики? Параметр Y в точке А достаточно велик, значит, правительство сильное. Но велико и значение X, что говорит о демократическом режиме. Словом, точку А можно назвать благоприятной во всех отношениях.

Но на той же фазовой плоскости есть и еще один аттрактор: при приближении к левому нижнему углу со значениями X=0, Y=0 "линии жизни", втягиваются в него точно в водоворот. Что это за точка? Анархия, полный распад потерявшего силу государства и беззащитность народа, также не имеющего влияния. Причем такая ситуация опять-таки продлится неограниченно долго, ведь при всякой попытке выбраться из нее путем изменения X или Y общество будет отброшено назад, на исходные позиции. Стоит ли говорить, насколько эта точка нежелательна! Но страна неминуемо попадет в нее, если окажется на одном из ведущих туда путей.

Приглядевшись внимательнее, мы увидим сепаратрису, разделяющую области притяжения точки А и точки 0. На рисунке она обозначена буквами CD. Эта линия – скользкий путь. На нем нельзя удержаться долго: любое "случайное" изменение X или Y непременно вытолкнет нас выше сепаратрисы, откуда все пути так или иначе увлекаются в точку А, или ниже, откуда мы рано или поздно попадем в точку 0. Вот он, момент, в который определенные правительственные меры могут стать важнейшим историческим событием! В масштабах всей плоскости политический рывок, сознательно совершенный народом и правительством, может быть совсем небольшим. Но если он позволит удалиться от сепаратрисы, то это определит судьбы страны на долгие годы вперед.

Как было бы все просто, имей мы такой же точный график для реальной жизни! Но речь идет всего лишь о моделях. Информация о современном обществе избыточна и не всегда достоверна; статистика и особенно социологические опросы давно известны как способ элегантно и убедительно сказать неправду. В результате не столько расчет, сколько интуиция помогает угадать вид зависимостей, управляющих движением общества. К тому же в рассмотренном примере считалось, что фазовый портрет системы не меняется с течением времени. Но в жизни это не так. Под действием различных обстоятельств может измениться и сам вид функций влияния, и, тем более, численные значения их параметров (в рассмотренном примере – k и s). В последнем случае точки-аттракторы обычно остаются на месте, а вот области их притяжения могут сузиться или расшириться, сепаратрисы – сместиться. Этим явлением можно объяснить, почему принятое вчера грамотное решение политиков уже сегодня оказывается бессмысленным или вредным. Путь, уверенно ведший к процветанию, через какое-то время оказывается тупиковым.

Может быть, недалеко время, когда правительство и народ получат из рук ученых реальное руководство к действию? И старая поговорка будет звучать так: "Неча на фазовый портрет пенять, коли система крива".

По мнению Г. Г. Малинецкого, мы присутствуем при зарождении новой научной дисциплины – теоретической истории. Возникшая в тесной связи с исторической информатикой, теоретическая история является более глубоким и широким понятием. Возможно, традиционная историческая наука станет восприниматься историками будущего примерно так же, как средневековая физика – физиками современности.

В заключение приведу рабочее определение теоретической истории, предложенное вышеупомянутым автором. Оно звучит так: "под теоретической историей будем понимать междисциплинарный подход, позволяющий исследовать и описывать причинно-следственные связи, определяющие поведение и поле путей развития больших социальных групп на характерных временах от 10 до 1000 лет и обладающий предсказательной силой".