Стивен Строгатц о синхронности

Я размышлял над тем, как синхронность может быть связана с состоянием счастья, и заметил, что по какой-то причине мы получаем удовольствие от синхронизации. Нам нравится танцевать вместе, нам нравится петь вместе. И, если вы готовы, я бы попросил вашей поддержки в первом сегодняшнем эксперименте. Эксперимент этот -- и, между прочим, я заметил, что, когда вы аплодировали, вы делали это в типично северо-американской манере, то есть бессвязно и беспорядочно. Вы были неорганизованы. Вам даже не пришло в голову хлопать в унисон. Вы думаете, вы сможете это сделать? Мне бы хотелось увидеть, как эта аудитория -- нет, насколько я знаю, вы не тренировались -- сможете вы хлопать синхронно?

(Аплодисменты)

Ух ты! Это то, что мы называем самоорганизующимся поведением.

(Смех)

Да, я не ожидал этого -- я имею в виду, я ожидал, что вы можете синхронизоваться. Но я не думал, что вы увеличите частоту. Вот это интересно.

(Смех)

Что мы из этого имеем? Прежде всего, мы знаем, что все вы просто восхитительны. Этот зал полон интеллектуальных, тонко чувствующих людей. Даже есть несколько хороших музыкантов. Но разве это то, что позволило вам синхронизироваться? Давайте поставим вопрос немного серьезнее. Спросим себя, каковы минимальные требования для того, что вы только что сделали -- для спонтанной синхронизации. Например, нужен ли для этого такой уровень интеллекта, как у вас? И вообще, требуется ли мозг для того, чтобы синхронизироваться? Нужно ли для этого быть живыми существами? Жуткая мысль, правда? Вещи, которые синхронизируются друг с другом сами собой. Все это реально. Фактически, сегодня я постараюсь показать, что синхронность -- это, возможно, одна из самых глубинных движущих сил природы. Она простирается от внутриатомных масштабов до дальних уголков космоса. Это глубинное стремление к порядку в природе, которое противоречит всему, чему нас учили об энтропии. Конечно, я не говорю, что закон об энтропии неверный -- он правильный. Но существует уравновешивающая сила во вселенной -- стремление к спонтанному порядку. И это сегодня наша тема.

Теперь, чтобы разобраться в этом, позвольте мне начать с того, что, должно быть, пришло вам в голову, когда вы услышали, что разговор пойдет о синхронности в природе -- восхитительный пример птиц, которые собираются в стаи, или рыб, которые плавают косяками. Все они отнюдь не являются интеллектуальными созданиями, и тем не менее, они демонстрируют этот восхитительный танец. Это кадры из фильма Би-Би-Си под названием «Хищники», и то, что мы видим здесь -- примеры синхронности, используемой для защиты. Когда ты мал и беззащитен, как эти скворцы, или как эти рыбы, жизнь внутри стаи помогает избегать хищников, сбивать их с толку. Позвольте мне помолчать немного, ведь это настолько прекрасно. В течение долгого времени биологи были озадачены этим поведением, удивляясь, как такое возможно. Мы привыкли, что синхронность достигается хореографией. Но этими созданиями никто не управляет. Они управляют сами собой.

И только сегодня наука начинает понимать, как все это работает. Я покажу вам компьютерную модель, созданную Яном Кузаном, исследователем из Оксфорда, которая показывает, как работают стаи. Здесь всего три простых правила. Первое -- все особи знают только о своих ближайших соседях. Второе -- все особи стремятся выстроиться в линию. И третье -- все они притягиваются друг к другу, но все же держат некоторую дистанцию. Когда вы применяете эти три правила, то автоматически начинаете видеть стаи, которые выглядят очень похоже на косяки рыб или стаи птиц. Рыбы, например, стремятся быть ближе друг к другу, на расстоянии длины тела. Птицы держатся на расстоянии трех-четырех длин тела. За исключением этих различий, правила общие и для тех, и для других.

Но все меняется, когда на сцене появляется хищник. Четвертое правило: когда появляется хищник -- прочь с его дороги! Здесь, на модели, вы видите атаку хищника. Жертвы разбегаются в самых разных направлениях, но потом закон притяжения снова собирает их вместе. Таким образом, происходит постоянное разъединение и перестроение. И все это вы видите в природе. Не забывайте, что, несмотря на то, что каждая особь, казалось бы, действует сообща с другими, на самом деле это совершенно эгоистичное, дарвинистское поведение. Все разбегаются врассыпную в попытке сохранить свою чешую или перья. Вот и получается, что в стремлении сохранить себе жизнь, каждая особь следует этим правилам, и это приводит к чему-то, что защищает всех. Кажется, что они думают как группа, но на самом деле это не так. Вы можете поинтересоваться, в чем преимущество того, чтобы быть в стае, и найти несколько объяснений.

Я бы сказал, если ты в стае, шансы оказаться несчастной жертвой-неудачником гораздо меньше, чем в небольшой группе. Здесь много глаз, чтобы заметить опасность. И как вы видите в примере со скворцами, с этими с птицами, когда сокол готовится атаковать их, волны паники начинают распространяться, посылая сигналы на большие расстояния. Вы увидите, давайте посмотрим, возможно, это будет в самом конце -- или нет. Информация может быть передана более чем на полкилометра за очень короткое время с помощью этого механизма. Да, вот здесь это происходит. Посмотрите, видите эти волны, распространяющиеся сквозь стаю. Это восхитительно. Вот эти птицы, нам кажется, мы начинаем понимать, с помощью этой компьютерной модели, что происходит. Как я сказал, здесь три простых правила, плюс еще одно о том, что надо остерегаться хищников.

И кажется, что здесь нет ничего мистического. Хотя, надо сказать, мы не понимаем этого по-настоящему на математическом уровне. Я математик. Нам бы хотелось понимать это лучше. Я имею в виду, хоть я и показал вам компьютерную модель, но это еще не означает понимания. Компьютер -- это, в своем роде, просто еще один эксперимент. Нам бы очень хотелось более глубоко разобраться, как все это работает и понять, откуда все таки берется эта организованность. Как эти правила приводят к формированию узоров?

Есть один пример, который мы начали понимать лучше, и это пример со светлячками. Если вы видите светлячков в Северной Америке, то, как и многие вещи в Северной Америке, они стремятся действовать независимо. Они игнорируют друг друга. Каждый делает свое дело, вспыхивая и потухая, не обращая никакого внимания на своих соседей. Но в Юго-Восточной Азии, в таких местах как Таиланд, Малайзия или Борнео, можно наблюдать очень красивое согласованное поведение среди мужских особей светлячков. Вы можете видеть это каждую ночь вдоль речных берегов. Мангровые деревья все наполнены светлячками, взаимодействующими с помощью света. Заметьте, это именно мужские особи светлячков, которые вспыхивают в определенное время вместе, абсолютно синхронно, чтобы донести свое сообщение до женских особей. И это сообщение, как можно догадаться: «Иди сюда. Давай спариваться».

(Музыка)

Через секунду я покажу вам замедленную съемку отдельного светлячка, так, чтобы вы получили представление. Это один кадр. Вспыхнул, потом погас -- 1/30 секунды. А теперь посмотрите на это по всему берегу реки и обратите внимание, насколько точно они синхронизированы. Вспыхнули, еще раз, и погасли. Суммарный свет от этих жучков -- ведь это на самом деле маленькие жучки -- так ярок, что рыбаки в море могут пользоваться им как маяком, когда им надо вернуться к родным берегам. Это потрясающе. Долгое время этому не верили, когда первые западные путешественники, такие как сэр Фрэнсис Дрейк, отправились в Таиланд и вернулись с рассказами об этом невероятном спектакле. Никто им не верил. Такого не увидеть в Европе или на Западе. И еще долгое время, даже после того, как это было задокументировано, думали, что это оптическая иллюзия. Публиковались научные статьи, говорящие, что это просто дрожание век глаз которое все объясняет, или обычное человеческое стремление видеть узоры там, где их нет. Но я надеюсь, вы теперь сами убедились, после этого ночного видео, что они на самом деле очень хорошо синхронизированы.

ОК, теперь вопрос в том, нужно ли быть живым существом, чтобы демонстрировать такие примеры спонтанного порядка, и я уже намекнул, что ответ -- нет. Для этого не надо быть целым существом, достаточно быть просто отдельной клеткой. Как, например, клетки, которые задают ритм вашего сердца прямо сейчас. Они поддерживают в нас жизнь. Каждое биение вашего сердца зависит от этой критической области, синусового узла, в котором около 10 000 независимых клеток, каждая из которых посылает сигнал, имеет свой электрический ритм -- скачки напряжения вверх и вниз -- чтобы дать сигнал желудочкам качать кровь. Но ритм задает не одна клетка. Это такая демократия 10 000 клеток, которые должны «выстреливать» в унисон, для того чтобы точно задавать ритм.

Я совсем не хочу убедить вас в том, что синхронность всегда хороша. Эпилепсия -- это пример миллиардов мозговых клеток, по крайней мере, миллионов, разряжающихся в патологической согласованности. Так что стремление к порядку не всегда хорошо. Вам не требуется быть живым существом. Вам даже не требуется быть клеткой. Если вы, например, посмотрите, как работают лазеры, это будет примером атомной синхронности. Лазер отличается от света над моей головой тем, что этот обычный свет некогерентный -- много разных цветов и много разных частот, наподобие того, как вы хлопали в начале -- но если бы вы были лазером, это были бы ритмичные аплодисменты. Это были бы все атомы пульсирующие в унисон, излучающие свет одного цвета, одной частоты.

Теперь наступает очень рискованная часть моего выступления, где мне надо продемонстрировать, что неодушевленные предметы тоже могут синхронизироваться. Теперь затаите дыхание ради меня. У меня здесь две пустые бутылки из-под воды. Нет, это не Кейт Бэрри, исполняющий фокус. Это просто один неумеха, пытающийся играть с пластиковыми бутылками. У меня тут еще есть метрономы. Так слышно? Хорошо, у меня есть метроном, и это самый маленький в мире метроном... ладно, я не должен здесь ничего рекламировать. Как бы там ни было, это самый маленький в мире метроном. Я установил его на самый быстрый ритм, и я сейчас возьму еще один такой же, установленный на тот же ритм. Для начала, попробуем так: если я просто поставлю их вместе на стол, у них нет никакой причины синхронизироваться, и они, скорее всего, не будут.

Возможно, так лучше слышно. Я буду стоять здесь. Я надеюсь, что они разойдутся, потому что их частоты не абсолютно равны. Так? Они разошлись. Они были синхронны какое-то время, потом разошлись. И причина этого в том, что они не могли общаться. Вы можете подумать, что это какая-то странная идея. Как метрономы могут общаться? Ну, например они могут «общаться» посредством механических сил. И я собираюсь создать им условия для этого. Но сначала я хочу немного подзавести его. Как они могут общаться? Я собираюсь поставить их на движущуюся платформу, это «Руководство для аспирантов» Корнелльского университета. Вот так. Теперь посмотрим, удастся ли нам заставить это работать. Моя жена заметила, что это работает лучше, если я ставлю метрономы одновременно, потому что иначе вся конструкция опрокинется. Хорошо. Посмотрим. Ладно, я не буду жульничать -- давайте запустим их асинхронно. Нет, это не так-то просто.

(Аплодисменты)

Отлично. Так, теперь пока они не рассинхронизировались, я просто их уберу.

(Смех) Это может показаться немного странным, но это вездесущее стремление к спонтанному порядку иногда приводит к неожиданным последствиям. Вот яркий пример этого -- то, что случилось в Лондоне в 2000 году. Мост «Миллениум» должен был стать гордостью Лондона -- новый красивый пешеходный мост через Темзу, первый мост, построенный в Лондоне за последние 100 лет. Конечно, был большой конкурс за право проектирования этого моста, и тот проект, который победил, был представлен необычной командой, состоящей, как раз в духе TED -- из архитектора, возможно, величайшего архитектора Великобритании, лорда Нормана Фостера, работавшего вместе со скульптором сэром Энтони Каро и инженерной фирмой Ove Arup. Вместе они представили проект, основанный на идее лорда Фостера, которая была -- он вспомнил, как ребенком читал комиксы про Флэша Гордона, и рассказал, что когда Флэш Гордон подходил к пропасти, он стрелял тем, что сегодня мы бы назвали световым мечом.

Он стрелял своим световым мечом через пропасть, образуя лезвие из света, и перебегал по этому лезвию. Он сказал: «Это та идея, тот вид, который я хочу подарить Лондону. Я хочу создать лезвие света через Темзу». Итак, они построили лезвие света -- очень тонкую стальную ленту, возможно, самый тонкий и плоский в мире подвесной мост, где тросы проходят по сторонам снаружи моста. Мы привыкли к подвесным мостам с большими тросами, идущими сверху. А здесь тросы идут по бокам моста, как если бы вы взяли резинку и туго натянули ее поперек Темзы -- это как раз и держит этот мост. Конечно, всем не терпелось его попробовать. В день открытия, тысячи лондонцев пришли на мост, и случилось нечто. Через два дня мост был закрыт для публики. Я хочу сначала показать вам несколько интервью с людьми, которые были на мосту в день открытия, и они постараются описать, что произошло.

Мужчина: Он начал качаться из стороны в сторону и немного вверх-вниз, почти как на лодке.

Женщина: Да, он был очень неустойчивый. Тогда было очень ветрено. Я помню много флагов по сторонам, и было понятно, что мост качается как-то вбок, это ощущалось.

Корреспондент: Не вверх-вниз? Мальчик: Нет.

Корреспондент: И не вперед-назад? Мальчик: Нет.

Корреспондент: Только из стороны в сторону. Насколько примерно, как ты думаешь?

Мальчик: Ну, примерно...

Корреспондент: Ну вот так или вот так?

Мальчик: Ну вот как во второй раз.

Корреспондент: Вот так? Мальчик: Да.

Мужчина: Это было по крайней мере шесть, от шести до восьми дюймов, я бы сказал.

Корреспондент: То есть, примерно вот так? Мужчина: О, да.

Женщина: Я помню, мне хотелось уйти с моста.

Корреспондент: Правда? Женщина: Да. Там было как-то неуютно.

Корреспондент: Настолько, чтобы испугаться? Женщина: Да, но я думала, дело только во мне.

Корреспондент: А теперь расскажи мне, почему приходилось делать так?

Мальчик: Нам приходилось делать так, чтобы сохранять баланс, потому что, если не удерживать баланс, то ты просто упадешь, направо или налево, под 45 градусов. Корреспондент: Хорошо, покажите мне, как вы идете нормально. Хорошо. А теперь как это было, когда мост начал раскачиваться. Хорошо. То есть, вы намеренно расставляете ноги в стороны, и... о, и делаете короткие шаги?

Мужчина: Да именно. И мне казалось очевидным, что на мосту было некоторое количество народу.

Корреспондент: И они нарочно шли в ногу, что-то вроде того?

Мужчина: Нет, они просто были вынуждены подстраиваться под движения моста.

Стивен Строгатц: Хорошо, это дает нам намек на то, что происходило. Представим, что мост ведет себя как эта платформа. Представьте, что люди выполняют роль метрономов. Вам, конечно, непривычно представлять себя метрономом, но, во всяком случае, мы же ходим так -- я имею в виду, мы совершаем колебания вперед и назад, когда идем. И особенно, если мы начнем идти, как шли эти люди, правда? Они все демонстрировали этот странный коньковый шаг, который у них появился, когда мост начал двигаться. Теперь я покажу вам съемку моста. И также, после того, как вы посмотрите съемки с открытия моста, я покажу еще один интересный видеосюжет о работе, сделанной инженером по мостам из Кембриджа, по имени Аллан МакРоби, который разобрался, что произошло на мосту, и который построил модель этого моста, чтобы в точности объяснить, в чем же была проблема. Это было что-то вроде непредвиденной положительной обратной связи между тем, как шли люди и тем, как мост начал качаться, что инженеры никак не могли предположить. На самом деле, первый человек, которого вы увидите, это молодой инженер, который отвечал за проект.

Корреспондент: Кто нибудь пострадал? Инженер: Нет.

Корреспондент: Хорошо. То есть это было незначительно... Инженер: Да. Корреспондент: ...но реально?

Инженер: Конечно. Корреспондент: И Вы подумали: «Вот досада!»

Инженер: Я был огорчен этим.

Мы потратили кучу времени на проектирование этого моста, мы анализировали его, мы проверили его по нормативам, на нагрузки, даже более тяжелые, чем в нормативах, и это было нечто, о чем мы совершенно не подозревали. Корреспондент: Вы не ожидали. Инженер: Точно.

Ведущий: Самые драматические и шокирующие съемки показывают целые части толпы -- сотни людей -- качающихся из стороны в сторону в унисон, не только друг с другом, но и с мостом. И это синхронное движение, похоже, раскачивало мост. Но как толпа смогла синхронизироваться? Что было такого особенного в мосте «Миллениум», что вызвало этот эффект? Это и было предметом расследования.

Корреспондент: Отлично, теперь эта модель моста завершена и я могу заставить его качаться. Аллан, ведь это целиком твоя ошибка, разве нет? Аллан МакРоби: Да.

Корреспондент: Ведь ты же разработал эту модель моста, которая, как ты считаешь, копирует поведение настоящего моста?

Аллан МакРоби: Да, с точки зрения физики, конечно.

Корреспондент: Хорошо. То есть, если мы встанем на него, мы сможем его раскачать, так?

Аллан МакРоби -- инженер по мостам из Кембриджа, который написал мне, показав, что модель моста должна раскачиваться точно так же, как и настоящий мост, если мы подвесим ее на маятниках подходящей длины.

Аллан МакРоби: Он весит всего пару тонн, так что его достаточно легко раскачать. Нужно просто ходить по нему. Корреспондент: Да, он определенно раскачивается.

Аллан МакРоби: Вы не должны специально раскачиваться. Просто ходите. Он уже начинает качаться.

Корреспондент: Это довольно непросто -- ходить. И приходится довольно осторожно выбирать, куда поставить ногу, правда? Потому что, если ошибешься, он просто сбивает тебя с ног.

Аллан МакРоби: Конечно, он влияет на то, как ты идешь. Ты не можешь идти по нему нормально.

Корреспондент: Нет, конечно. Если я пробую ставить одну ногу перед другой, то он выдергивает ногу из-под тебя. Аллан МакРоби: Да.

Корреспондент: То есть ты вынужден расставлять ноги широко в стороны. Ну вот, эта модель заставляет меня шагать в точности так же, как наши участники шагали по мосту.

Аллан МакРоби: ... коньковый шаг. И это совсем не похоже на шаг «змейкой».

Корреспондент: Для более убедительного эксперимента, я сам набрал надежную группу людей, чтобы изобразить «публику в день открытия». Их проинструктировали просто ходить нормально. Что по-настоящему интригует -- никто не пытался специально раскачивать мост. Им всем было просто трудно идти. И единственным способом нормально идти было шагать в ногу. Но тогда, конечно, это приводило к раскачиванию моста. И с этим невозможно ничего сделать. Своим движением мост вынуждает всех идти в ногу, и это раскачивает его еще сильнее.

Стивен Строгатц: Хорошо, теперь, после этого сообщения от Министерства Глупых Походок, я лучше закончу. Я уже перебрал мое время. Но я надеюсь, что вы выйдете наружу и увидите мир в новом свете, увидите потрясающую синхронность вокруг нас. Спасибо.

(Аплодисменты)