Масштаб. Универсальные законы роста, инноваций, устойчивости и темпов жизни организмов, городов, экономических систем и компаний Уэст Джеффри

1. Введение, обзор и краткое изложение

Жизнь с ее необычайным разнообразием форм, функций и моделей поведения, существующим в огромном диапазоне масштабов, – это, вероятно, самое сложное и многообразное явление во Вселенной. Например, на нашей планете существует, по оценкам, более восьми миллионов разных биологических видов[1], от мельчайших бактерий, весящих менее одной триллионной грамма, до самого крупного животного, синего кита, весящего до ста миллионов граммов. В тропических лесах Бразилии на участке размером с футбольное поле можно найти более ста разных видов деревьев и миллионы насекомых, принадлежащих к тысячам разных видов. Что же говорить о потрясающих различиях в том, как представители всех этих видов проживают свою жизнь, как происходит зачатие, рождение, воспроизводство и смерть каждого из них. Многие бактерии живут всего лишь час, и на обеспечение их существования требуется не более одной десятитриллионной части ватта, а киты могут прожить более столетия, и уровень их метаболизма (обмена веществ) составляет несколько сот ватт[2]. К этому необычайному богатству разнообразия биологической жизни следует добавить удивительную сложность и многообразие жизни социальной, созданной на планете человеком, особенно в виде городов и тех поразительных явлений, которые в них существуют, от торговли и архитектуры до культурного многообразия и неисчислимых скрытых радостей и горестей жизни каждого из их обитателей.

Если сравнить все это замысловатое богатство с чрезвычайной простотой и упорядоченностью движения планет вокруг Солнца или механической регулярностью поведения часов или мобильного телефона, естественно задуматься: а может быть, существует какой-либо аналогичный тайный порядок, лежащий в основе всей этой сложности и многообразия? Не может ли быть так, что все организмы, да и вообще все сложные системы, от растений и животных до городов и компаний, подчиняются одним и тем же немногочисленным и простым правилам? Или же все драмы, которые разыгрываются в лесах, саваннах и городах всего мира, могут быть простой последовательностью случайных событий, произвольной и непредсказуемой? Учитывая вероятностную природу процесса эволюции, породившего все это многообразие, появление каких-либо закономерностей или систематических черт поведения кажется маловероятным и противоречащим здравому смыслу. В конце концов, каждый из множества организмов, составляющих биосферу, каждая биосистема, каждый орган, каждый тип клеток, каждый геном образовались в процессе естественного отбора в своей собственной уникальной экологической нише, в результате своей собственной уникальной истории.

Взгляните на графики, приведенные на рис. 1–4. Каждый из них отображает зависимость хорошо известной величины, играющей важную роль в нашей жизни, от размера. На первом графике отложена зависимость уровня метаболизма – то есть ежедневного количества пищи, необходимого для выживания, – от веса или массы тела разных животных. На втором – число сокращений сердца в течение жизни, также в зависимости от веса или массы некоторых животных. На третьем графике приведена зависимость числа патентов, разработанных в городах, от численности их населения. На последнем графике отложена зависимость чистых активов и доходов котирующихся на бирже компаний от числа их сотрудников.

На рис. 1–4 приведены примеры кривых масштабирования, отражающих масштабное изменение (масштабирование) величин в зависимости от размеров: масштабирование 1) уровня метаболизма[3] и 2) числа ударов сердца в течение жизни[4] в зависимости от веса животного; масштабирование 3) числа патентов, разработанных в городах[5], в зависимости от численности их населения; и масштабирование 4) размеров доходов и активов компаний[6] в зависимости от числа их сотрудников. Обратите внимание, что эти графики охватывают большие диапазоны масштабов: например, и вес животных, и число сотрудников компаний изменяются в миллион раз (от мыши до слона и от индивидуального предприятия, в котором работает всего один человек, до компаний уровня Walmart или Exxon). Чтобы можно было уместить все эти виды животных, компании и города на одних и тех же графиках, использован логарифмический масштаб (по осям отложены степени десяти)

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

Рис. 4

Не нужно быть математиком, естествоиспытателем или специалистом в какой-либо из этих областей, чтобы сразу же заметить, что хотя эти графики отражают некоторые из самых сложных и разнородных процессов, с которыми мы сталкиваемся в своей жизни, в каждом из них есть нечто на удивление простое, систематичное и регулярное. Данные оказываются не рассеяны по каждому из графиков произвольным образом, как можно было бы ожидать, исходя из непредсказуемости уникального исторического и географического положения каждого животного, каждого города или каждой компании, а образуют приблизительно прямые линии. Возможно, самая поразительная картина получается на рис. 2, из которого видно, что сердца всех млекопитающих совершают в течение их жизни приблизительно одно и то же число сокращений, хотя мелкие животные – например, мыши – живут всего по нескольку лет, а крупные – например, киты – могут прожить сотню лет или даже больше.

Примеры, представленные на рис. 1–4, – это лишь несколько образцов огромного числа таких масштабных соотношений, которые дают численное описание масштабирования почти любой измеримой характеристики животных, растений, экосистем, городов или компаний в зависимости от их размеров. В этой книге вам встретится множество таких образцов. Наличие таких замечательных закономерностей – это сильный довод в пользу существования общей концептуальной структуры, лежащей в основе всех этих очень разных и чрезвычайно сложных явлений, а также сходных универсальных «законов», которым подчиняются динамика, развитие и организация животных, растений, социального поведения человека, городов и компаний.

Именно на этом в первую очередь сосредоточена эта книга. Я объясню в ней природу и происхождение таких систематических законов масштабирования, их взаимосвязь и то, как они приводят к более глубокому и широкому пониманию многих аспектов жизни, а в конечном счете и к задаче обеспечения глобальной устойчивости. Рассмотренные вместе, эти законы масштабирования позволяют нам увидеть основополагающие принципы и концепции, которые могут дать возможность построить систему разработки численных предсказаний, касающихся множества ключевых вопросов самых разных отраслей науки и аспектов существования общества.

Эта книга – о способе мышления, о постановке великих вопросов и о возможных великих ответах на некоторые из них. Эта книга – об объединенной и объединяющей системе концепций, которая позволила бы подступиться к некоторым из крупнейших задач и вопросов, над которыми мы бьемся сегодня, от стремительной урбанизации, роста населения и глобальной устойчивости до понимания рака, обмена веществ и причин старения и смерти. Эта книга – о замечательном сходстве между принципами действия городов, компаний, опухолей и наших собственных тел и о том, почему все они представляют собой вариации одной общей темы, а их организация, структура и динамика с поразительной систематичностью проявляют регулярные и сходные черты. Общим для всех них свойством является то, что все они, будь то молекулы, клетки или люди, – чрезвычайно сложные системы, состоящие из огромного числа индивидуальных компонентов, взаимосвязанных, взаимодействующих и развивающихся с использованием сетевых структур, существующих на нескольких разных пространственных и временных масштабах. Некоторые из таких сетей могут быть очевидными и вполне реальными, например наша система кровообращения или уличная сеть города, другие – более концептуальными или виртуальными, например социальные сети[7], экосистемы или интернет.

Рамки «общей картины» позволяют рассмотреть интереснейший круг вопросов, некоторые из которых были предметом моих собственных исследований; часть этих вопросов будет рассмотрена, в некоторых случаях чисто умозрительно, в последующих главах. Вот лишь некоторые из них:

• Почему масштабирование организмов и экосистем, от клеток до китов и лесов, происходит таким замечательно универсальным, систематическим и предсказуемым образом? Откуда берется магическое число 4, управляющее, как кажется, столь многими аспектами их физиологии и развития, от роста до смерти?

• Почему большинство компаний существуют относительно недолго, а города растут и растут, каким-то образом избегая, по-видимому, неизбежной гибели, постигающей даже самые, казалось бы, могущественные и неуязвимые компании? Можно ли представить себе возможность предсказывать приблизительную продолжительность существования компаний?

• Можно ли создать теорию городов и компаний, то есть концептуальную основу для понимания их динамики, роста и развития и получения численных предсказаний?

• Существует ли максимальный размер для городов? Или оптимальный размер? Существует ли максимальный размер для животных и растений? Реальны ли гигантские насекомые и гигантские мегаполисы?

• Почему темп жизни постоянно увеличивается и почему для поддержки социально-экономической жизни скорость появления инноваций должна возрастать и дальше?

• Как обеспечить продолжение сосуществования наших систем, созданных человеком и развивавшихся всего лишь в течение последнего десятка тысяч лет, с естественным биологическим миром, развивавшимся в течение миллиардов лет? Сможем ли мы сохранить живое, обновляющееся общество, вдохновляемое идеями и созданием ценностей, или же мы обречены превратить Землю в планету трущоб, конфликтов и опустошения?

Рассматривая эти и подобные им вопросы, я обращаю особое внимание на концептуальные аспекты и стараюсь свести вместе идеи, почерпнутые из разных научных дисциплин, объединяя фундаментальные вопросы биологии и социально-экономических наук, но сохраняя при этом точку зрения и взгляды физика-теоретика – и не стесняясь этого. Более того, я также касаюсь той ключевой роли, которую та же самая система масштабирования сыграла в формировании единой схемы элементарных частиц и фундаментальных сил природы, в том числе и следствий этой схемы в космологическом рассмотрении эволюции Вселенной с момента Большого взрыва. В соответствии с этими принципами я также стараюсь высказывать острые суждения и умозрительные гипотезы там, где это уместно, но основная часть приведенного в этой книге материала опирается на авторитетные научные работы.

Хотя многие, если не большинство, из результатов и толкований, представленных в книге, происходят из рассуждений и выводов, изложенных на математическом языке, книга написана в подчеркнуто общедоступном и образовательном стиле и ориентирована на пресловутого «разумного неспециалиста». Это ограничение довольно сильно затрудняло работу над нею и, разумеется, привело к тому, что такие объяснения неизбежно приводятся с некоторыми вольностями. Моим коллегам-ученым придется по возможности воздержаться от чрезмерной критики тех мест, в которых я, на их взгляд, привожу чересчур упрощенный перевод с математического или технического языка на язык повседневный. Читателю, более склонному к математической точности, я рекомендую специальную литературу, ссылки на которую приводятся повсюду в тексте книги.

2. Мы живем в экспоненциально растущем урбанизированном социально-экономическом мире

Центральная тема этой книги – это та ключевая роль, которую играют в определении будущего нашей планеты города и глобальная урбанизация. Города стали источником крупнейших проблем нашей планеты со времени образования человеческого общества. Будущее человечества и долговременная жизнеспособность всей планеты неразрывно связаны с судьбой наших городов. Города – это плавильный котел цивилизации, центры инноваций, источник богатства и власти, магниты, привлекающие к себе людей и стимуляторы идей, роста и инноваций. Но у них есть и темная сторона: именно в них в первую очередь сосредоточиваются преступность, загрязнение, нищета, болезни и чрезмерное потребление энергии и природных ресурсов. Быстрая урбанизация и ускоряющееся социально-экономическое развитие породили множество проблем мирового масштаба, от изменений климата с их влиянием на окружающую среду до перебоев с пищей, энергией и водой и кризисов здравоохранения, финансовых рынков и глобальной экономики.

Учитывая такую двойственную природу городов, с одной стороны, источника крупнейших наших проблем, а с другой – вместилища творчества и идей и, следовательно, источника решений этих проблем, чрезвычайно актуальным становится вопрос о возможности существования какой-либо «теории городов» (а также родственной ей «теории компаний»), то есть системы концепций, позволяющей понять их динамику, рост и развитие и выразить их в предсказуемом численном виде. Такая теория жизненно необходима для разработки стратегии, обеспечивающей долговременную устойчивость, особенно в связи с тем, что ко второй половине этого века подавляющее большинство людей будет жить в городах, и многие из них – в мегаполисах невиданных ранее размеров.

Среди возникающих перед нами проблем, задач и угроз нет почти ни одной новой. Все они известны нам по меньшей мере со времен начала промышленной революции. Они начинают казаться нам надвигающимся цунами, которое может захлестнуть нас, только из-за экспоненциального роста урбанизации. По самой природе экспоненциального роста ближайшее будущее наступает все быстрее и быстрее, ставя нас перед непредвиденными проблемами, угрозу которых мы не можем выявить вовремя. Именно поэтому мы лишь недавно осознали проблемы глобального потепления, долговременных экологических изменений, ограниченности запасов энергии, воды и других ресурсов, здравоохранения и загрязнения окружающей среды, стабильности финансовых рынков и так далее. И даже когда появилась озабоченность этими проблемами, сохранилось подспудное ощущение того, что все они – лишь преходящие отклонения, которые в конце концов удастся разрешить и устранить. Неудивительно, что большинство политиков, экономистов и идеологов по-прежнему придерживаются той оптимистической точки зрения, что в долгосрочной перспективе наши инновации и изобретательность победят их, как это уже бывало в прошлом. Как будет более подробно описано ниже, я не столь в этом уверен.

В течение почти всего времени существования человечества большинство людей жили в негородской среде. Всего двести лет назад Соединенные Штаты были преимущественно сельской страной: в городах жило всего 4 % населения. Сейчас эта цифра превышает 80 %. Такая ситуация характерна почти для всех развитых стран, например Франции, Австралии или Норвегии, но так же обстоит дело и во многих странах, считающихся «развивающимися», – например, в Аргентине, Ливане и Ливии. В наше время на планете не осталось ни одной страны, в которой было бы всего 4 % городского населения; даже в Бурунди, возможно самой бедной и наименее развитой из всех стран, его доля составляет более 10 %. В 2006 г. наша планета пересекла важную историческую черту: население городских центров превысило половину суммарной численности человечества, в то время как всего сто лет назад его доля составляла лишь 15 %, а в 1950 г. – 30 %. Сейчас предполагается, что к 2050 г. она вырастет до 75 %, причем в города переселится более двух миллиардов человек, в основном в Китае, Индии, Юго-Восточной Азии и Африке[8].

Это огромное число, оно означает, что в следующие тридцать пять лет каждую неделю будет происходить урбанизация в среднем полутора миллионов человек. Чтобы понять, что это значит, представьте себе следующее: пусть сегодня у нас 22 августа; к 22 октября на планете появится еще один мегаполис размером с нью-йоркскую агломерацию, к Рождеству – еще один, к 22 февраля – еще один и так далее. С этого момента и до середины века каждые два месяца на планете будет возникать еще по одному Большому Нью-Йорку. Следует подчеркнуть, что речь идет именно о нью-йоркской агломерации с населением 15 миллионов человек, а не только о самом Нью-Йорке, в котором живет всего 8 миллионов.

Наверное, самая поразительная и грандиозная в мире программа урбанизации проводится в Китае, правительство которого собирается в течение следующих двадцати – двадцати пяти лет построить ускоренными темпами до трехсот новых городов с населением более миллиона человек. В прошлом урбанизация и индустриализация шли в Китае медленно, но теперь эта страна наверстывает упущенное время. Если в 1950 г. городским было не более 10 % населения Китая, то уже в этом году его доля, вероятно, перевалит за половинную отметку. При сохранении нынешних темпов в течение следующих двадцати или двадцати пяти лет в города переселится столько же людей, сколько живет сейчас в США. Индия и Африка не сильно отстают от Китая. Этот процесс станет крупнейшей человеческой миграцией в истории Земли – и с большой вероятностью ничего равного ему по масштабам не произойдет и в будущем. Он породит поражающие воображение требования к обеспечению энергией и природными ресурсами, а также огромную нагрузку на общественные структуры по всему миру… и времени на поиск решений этих проблем остается чрезвычайно мало. Это коснется всех и каждого; спрятаться будет негде.

3. Вопрос жизни и смерти

Неограниченный экспоненциальный рост городов резко отличается от того, что мы наблюдаем в биологии: организмы, в том числе и наш собственный, по большей части быстро растут в молодости, а затем замедляются, перестают расти и в конце концов умирают. Той же схеме следует и существование большинства компаний: почти все они рано или поздно исчезают, а вот с большинством городов этого не происходит. Тем не менее в обсуждениях городов и компаний постоянно используются образы, позаимствованные в биологии. Широко используются такие обороты, как «ДНК компании», «метаболизм города», «экология рынка» и так далее. Можно ли считать такие штампы обычными метафорами, или же в них содержится какой-то реальный научный смысл? Насколько похожи – и похожи ли вообще – города и компании на огромные организмы? В конце концов, они возникли на биологической основе и имеют поэтому общие черты.

Многие из характеристик городов явно не имеют никакого отношения к биологии: о них мы подробнее поговорим позже. Но если города действительно являются некими сверхорганизмами, почему же они почти никогда не умирают? Существуют, конечно, классические примеры гибели городов, особенно древних, но они, как правило, касаются особых случаев, связанных с конфликтами и губительной эксплуатацией окружающей среды. В целом они составляют лишь малую долю всех существовавших городов. Города обладают замечательной жизнестойкостью и в подавляющем большинстве успешно выживают. Вспомним хотя бы ужасный опыт, проделанный семьдесят лет назад над двумя городами, на которые были сброшены атомные бомбы: уже тридцать лет спустя они снова были полны жизни. Убить город чрезвычайно трудно! И в то же время убить животное или компанию сравнительно легко – даже самые могучие и, по-видимому, неуязвимые из них в подавляющем большинстве в конце концов умирают. Несмотря на непрерывный рост средней продолжительности человеческой жизни на протяжении последних 200 лет, ее максимальная продолжительность остается неизменной. Ни один человек не прожил более 123 лет, и лишь очень немногие компании просуществовали дольше этого срока: большинство исчезает через 10 лет после образования. Так почему же города могут сохранять жизнеспособность, в то время как подавляющее большинство компаний и организмов умирает?

Смерть – неотъемлемая часть биологической и социально-экономической жизни: почти все на свете рождается, живет и в конце концов умирает. Однако и общество, и наука склонны подавлять и игнорировать серьезные исследования смерти и размышления о ней, в отличие от рассмотрения рождения и жизни. Лично я начал всерьез задумываться о старении и смерти только после пятидесяти лет. В двадцать, тридцать, сорок и даже пятьдесят лет вопрос моей собственной смертности не особенно меня заботил: я бессознательно поддерживал распространенный среди «молодежи» миф о собственном бессмертии. Однако в моем роду было много рано умерших мужчин, так что, возможно, где-то после пятидесяти я неизбежно должен был начать осознавать, что лет через пять-десять я вполне могу умереть, и с моей стороны было бы осмотрительно начать задумываться о том, что это значит.

Наверное, можно предположить, что истоки всех религий и философских воззрений лежат в том, как мы включаем в свою повседневную жизнь неизбежное приближение смерти. Поэтому я начал размышлять и читать о старении и смерти, сперва в терминах личных, психологических, религиозных и философских. Хотя это занятие оказалось чрезвычайно увлекательным, оно приносило больше вопросов, чем ответов. Но затем, в связи с другими событиями, о которых я еще расскажу в этой книге, я начал рассматривать эти проблемы с научной точки зрения, и по счастливой случайности это привело меня на путь, изменивший мою жизнь, как личную, так и профессиональную.

Для физика, размышляющего о старении и смерти, естественно было задаваться вопросами не только о возможных механизмах, заставляющих нас стареть и умирать, но и о том, откуда берется сам масштаб человеческой жизни. Почему никому не удалось прожить более 123 лет? Откуда происходят таинственные семьдесят лет, которые Ветхий Завет устанавливает длительностью «дней наших лет»[9]? Можем ли мы, хотя бы теоретически, прожить до тысячи лет, как мифический Мафусаил? И вместе с тем большинство компаний проживает всего по нескольку лет. Половина американских котируемых на бирже компаний исчезает в течение десяти лет с момента выхода на рынок. Хотя очень немногочисленному меньшинству удается прожить гораздо дольше, кажется, что все они обречены рано или поздно отправиться вслед за компаниями Montgomery Ward, TWA, Studebaker и Lehman Brothers[10]. Почему? Можно ли разработать серьезную механистическую теорию, позволяющую понять не только нашу собственную смертность, но и смертность компаний? Можно ли представить себе возможность численного выражения процессов старения и смерти компаний и, следовательно, хотя бы приблизительного «предсказания» продолжительности их жизни? И что такое есть у наших городов, что позволяет им избегать этой, кажущейся неизбежной, судьбы?

4. Энергия, метаболизм и энтропия

Рассмотрение этих проблем приводит к естественному вопросу: откуда берутся все остальные жизненные масштабы? Почему, например, мы спим каждую ночь приблизительно по восемь часов, в то время как мыши спят по пятнадцать, а слоны – всего по четыре? Почему самые высокие деревья вырастают до сотни метров, а не до километра? Почему крупнейшие компании перестают расти, когда их активы достигают половины триллиона долларов? И почему в каждой из наших клеток содержится около пятисот митохондрий?

Чтобы ответить на такие вопросы и добиться численного и механистического понимания таких процессов, как старение и смертность, идет ли речь о людях, слонах, городах или компаниях, прежде всего необходимо понять, как именно растут все эти системы и как они остаются в живых. В биологии управление ростом и жизнью, а также их поддержку обеспечивает процесс обмена веществ – метаболизм. Его численным выражением служит уровень метаболизма, то есть количество энергии в секунду, необходимое для поддержания жизни организма. Для человека он равен 2000 пищевых калорий[11] в сутки, что, как это ни удивительно, соответствует приблизительно 90 ваттам, то есть мощности обычной лампочки накаливания. Как видно на рис. 1, мы имеем уровень метаболизма, «правильный» для млекопитающего наших размеров. Таков наш биологический метаболизм, соответствующий существованию животного, развившегося естественным путем. Животному общественному, живущему теперь в городе, для выживания по-прежнему требуется лишь пища в количестве, соответствующем мощности лампочки, но кроме того, ему теперь необходимы дома, отопление, освещение, автомобили, дороги, самолеты, компьютеры и так далее. В связи с этим для поддержания существования среднего жителя Соединенных Штатов требуется ошеломляюще большое количество энергии – 11 000 Вт. Этот социальный метаболизм эквивалентен сумме всех потребностей целой дюжины слонов. Кроме того, при этом переходе из биологической сферы в социальную наша суммарная численность возросла с нескольких миллионов до семи с лишним миллиардов. Неудивительно, что нам грозят энергетические кризисы и нехватка природных ресурсов.

Ни одна из этих систем, ни «естественная», ни рукотворная, не может работать без непрерывного притока энергии и других ресурсов, которые нужно преобразовывать в нечто «полезное». Я позаимствую биологическую концепцию и буду называть все такие процессы преобразования энергии метаболизмом. В зависимости от сложности данной системы получаемая полезная энергия может распределяться между выполнением физической работы, пополнением энергетических запасов организма, ростом и воспроизводством. У человека, заметно отличающегося от всех прочих существ, значительная часть метаболической энергии расходуется на формирование сообществ и организаций – городов, деревень, компаний и коллективов, – на изготовление необычайно разнообразных артефактов и воплощение поразительно широкого спектра идей, от самолетов, сотовых телефонов и соборов до симфоний, математических теорем, литературных произведений и многого, многого другого.

Однако мы часто забываем о том, что без непрерывного поступления энергии и природных ресурсов не может быть не только изготовления всех этих вещей, но и, что, быть может, еще более важно, вообще никаких идей, инноваций, роста или развития. Энергия первична. Она лежит в основе всего, что мы делаем, и всего, что происходит вокруг нас. Поэтому ее значение для всех рассматриваемых вопросов будет еще одним лейтмотивом, проходящим через всю эту книгу. Каким бы очевидным ни казалось это соображение, в концептуальном мышлении экономистов и социологов обобщенное понятие энергии играет на удивление малую роль, если вообще принимается во внимание.

За преобразование энергии всегда приходится платить – бесплатных завтраков не бывает. Поскольку энергия лежит в основе преобразований и работы буквально всего, работа ни одной системы не обходится без последствий. Собственно говоря, существует такой ненарушимый фундаментальный закон природы, называемый Вторым началом термодинамики, который гласит, что при любом преобразовании энергии в полезную форму происходит и производство низкокачественного побочного продукта, «бесполезной энергии». Этот процесс неизбежно сопровождается «непреднамеренными последствиями» в форме неорганизованного выделения недоступной для использования теплоты или непригодных к использованию продуктов. Вечный двигатель невозможен[12]. Чтобы жить, чтобы поддерживать и обслуживать высокоорганизованные функции разума и тела, нам необходимо есть. Но после еды нам рано или поздно бывает нужно сходить в туалет. В этом заключается физическое проявление нашего личного вклада в увеличение энтропии.

Немецкий физик Рудольф Клаузиус в 1865 г. назвал это фундаментальное, всеобщее свойство, порожденное происходящим путем обмена энергией и другими ресурсами взаимодействием между всеми сущностями, энтропией. При каждом использовании или преобразовании энергии для создания или поддержания порядка в замкнутой системе неизбежно появляется некоторый беспорядок: энтропия всегда возрастает. Кстати говоря, само греческое слово означает «превращение» или «развитие». Чтобы вы не подумали, что этот закон можно как-нибудь нарушить, стоит процитировать мнение, высказанное по этому поводу Эйнштейном: «Это единственная физическая теория общего содержания, относительно которой я убежден, что… она никогда не будет опровергнута». Он не исключал из этого утверждения и свои собственные законы относительности.

Второе начало термодинамики неизбежно угрожает нам и всему, что нас окружает, подобно смерти, налогам и дамоклову мечу. Диссипативные силы, аналогичные неорганизованному выделению теплоты при трении, непрерывно и неостановимо увеличивают износ любых систем. Сколь угодно блестяще спроектированная машина, сколь угодно творчески организованная компания, сколь угодно высокоразвитый организм не могут избежать встречи с этим беспощаднейшим из жнецов[13]. Поддержание порядка и структуры в развивающейся системе требует непрерывной подачи и использования энергии, побочным продуктом которых является возникновение беспорядка. Именно поэтому нам нужно есть, чтобы оставаться в живых, чтобы бороться с неизбежными, разрушительными силами производства энтропии. Энтропия убивает. В конечном счете на всех нас действуют «износ и амортизация» во всех своих многочисленных видах. Борьба с энтропией путем непрерывного потребления все новой энергии для роста, обновления, содержания и восстановления, которая становится все более и более трудной по мере старения системы, лежит в основе любого серьезного обсуждения старения, смертности, жизнестойкости и устойчивости, будь то в применении к организмам, компаниям или городам.

5. Размер все-таки важен: масштабирование и нелинейное поведение

В основном я буду рассматривать все эти разнообразные и, как может показаться, не связанные друг с другом вопросы через призму масштаба, оставаясь при этом в рамках концептуальной системы естественных наук. Масштабы и масштабирование, то есть то, как нечто изменяется при изменении размеров, а также основные правила и принципы, которым они подчиняются, составляют центральную тематику всей этой книги и используются в качестве отправных точек почти всех представленных в ней рассуждений. При рассмотрении с этой точки зрения оказывается, что возникновение и принципы действия городов, компаний, растений, животных, нашего тела и даже опухолей имеют поразительно сходные черты. Каждая из этих систем представляет собой интереснейшую вариацию на общую, универсальную тему, которая проявляется в на удивление систематических математических закономерностях и сходствах их организации, структуры и динамики. Я покажу, что такие сходства вытекают из широкой, обобщенной концептуальной структуры, позволяющей получить общий объединяющий метод понимания всех этих разнородных систем, а также рассмотреть, проанализировать и разрешить многие фундаментальные вопросы.

В простейшем смысле этого слова масштабирование попросту обозначает то, как система реагирует на изменение своих размеров. Что происходит с городом или компанией, когда их размер увеличивается в два раза? Что произойдет со зданием, самолетом, экономикой или животным, если их размер в два раза уменьшится? Если население города удвоится, будет ли в получившемся городе иметься приблизительно вдвое больше дорог, совершаться вдвое больше преступлений и создаваться вдвое больше патентов? Удваиваются ли доходы компании при удвоении объема продаж и требуется ли животному половинного веса вдвое меньше пищи?

Рассмотрение таких, казалось бы, невинных вопросов о реакции систем на изменение их размеров приводит к замечательно глубоким выводам во всех отраслях науки и техники и оказывает влияние чуть ли не на ве аспекты нашей жизни. Изучение масштабирования стало основой глубокого понимания динамики граничных состояний и фазовых переходов (например, замерзания жидкостей в твердые вещества или их испарения в газообразное состояние) или хаотических явлений (например, «эффекта бабочки», который якобы приводит к тому, что взмах крыльев бабочки в Бразилии вызывает ураган во Флориде), открытия кварков (структурных элементов материи), объединения фундаментальных сил природы и эволюции Вселенной после Большого взрыва. Это лишь несколько наиболее ярких иллюстраций той решающей роли, которую аргументы, связанные с масштабированием, сыграли в освещении важных универсальных принципов или структур[14].

В практическом контексте масштабирование играет жизненно важную роль в проектировании все более крупных рукотворных объектов и машин – зданий, мостов, кораблей, самолетов и компьютеров, – в котором поиск действенных и экономичных методов экстраполяции от малого к большому остается неизменно трудной задачей. Еще более трудную и, возможно, более острую проблему представляет собой понимание принципов масштабирования организационной структуры все более крупных и сложных социальных организаций – компаний, корпораций, городов и правительств. Принципы, лежащие в основе этих непрерывно развивающихся, сложных адаптивных систем часто оказываются еще менее понятными.

Существенно недооцененной остается и та скрытая роль, которую масштабирование играет в медицине. Значительная часть научно-технических исследований, касающихся болезней, новых лекарств и лечебных процедур, проводится с использованием в качестве «модельной» системы мышей. Отсюда немедленно возникает жизненно важный вопрос: каким образом результаты этих исследований и экспериментов можно масштабировать на человека? Например, на исследования рака у мышей каждый год тратятся огромные средства. При этом у мыши в среднем возникает за год гораздо больше опухолей на грамм тканей, чем у человека, а у китов их и вовсе почти не бывает. Спрашивается, насколько применимы результаты таких исследований к человеку? Можно сформулировать эту мысль несколько иным образом: чтобы такие исследования позволили нам получить глубокое понимание и решение проблемы рака у человека, нам необходимо точно знать, как масштабируется организм – как при увеличении размеров, от мыши к человеку, так и при их уменьшении, от китов к меньшим животным. Такие дилеммы будут обсуждаться в главе 4, в которой мы будем рассматривать проблемы масштабирования, присущие биологии, медицине и здравоохранению.

Здесь я хотел бы заново рассмотреть отдельные широко используемые концепции и термины, многим из нас до некоторой степени знакомые – поскольку они употребляются в повседневной речи, – но часто неверно понимаемые. Это позволит нам в самом начале наших исследований ввести некоторые из понятий, используемых на протяжении всей этой книги, и обеспечить одинаковое их понимание.

Итак, вернемся к заданному выше простому вопросу: требуется ли животному половинного веса вдвое меньше пищи? Можно предположить, что ответ на этот вопрос будет утвердительным, так как уменьшение веса в два раза означает двукратное уменьшение числа клеток, которым требуется питание. Из этого следовало бы, что «вдвое меньшему нужно вдвое меньше» и, наоборот, «вдвое большему нужно вдвое больше». Здесь мы находим простейший пример классического линейного мышления. Как это ни удивительно, линейное мышление, несмотря на всю его кажущуюся простоту, не всегда легко распознать, потому что оно часто подразумевается, но не выражается явно.

Например, обычно остается непонятым тот факт, что повсеместное использование подушных измерений для описания и составления рейтингов стран, городов, компаний и экономических систем – это скрытое проявление такого мышления. Возьмем простой пример. В 2013 г. валовой внутренний продукт (ВВП) США оценивался приблизительно в 50 тысяч долларов на душу населения, то есть можно сказать, что в среднем по всей национальной экономике каждый человек произвел «товаров» на 50 тысяч долларов. Поскольку ВВП агломерации Оклахома-Сити, население которой составляет около 1,2 миллиона человек, равен приблизительно 60 миллиардам долларов, ее ВВП на душу населения (60 миллиардов, разделенные на 1,2 миллиона) действительно близок к среднему по Соединенным Штатам, то есть 50 тысячам. Если экстраполировать эти данные на город в десять раз больший, с населением 12 миллионов человек, его ВВП должен быть равен 600 миллиардам (произведению 50 тысяч на душу населения на 12 миллионов человек), то есть в десять раз больше, чем у Оклахома-Сити. Однако на самом деле ВВП агломерации Лос-Анджелеса, которая именно в десять раз больше, чем Оклахома-Сити, и имеет 12 миллионов населения, превышает 700 миллиардов долларов, что отличается от результата линейной интерполяции, неявно заложенной в применении подушных измерений, более чем на 15 %.

Разумеется, это всего лишь один пример, который можно считать особым случаем: Лос-Анджелес просто богаче, чем Оклахома-Сити. Хотя это и так, оказывается, что недооценка, получаемая при сравнении Оклахома-Сити с Лос-Анджелесом, – вовсе не особый случай. Напротив, это пример общей систематической тенденции, справедливой для всех городов всего мира: простая линейная пропорциональность, неявно заложенная в подушные измерения, почти никогда не дает верных результатов. ВВП, как и почти все другие измеряемые характеристики города – да и почти всех сложных систем вообще, – обычно масштабируется нелинейным образом. Впоследствии я буду более точно говорить о том, что это значит и что из этого следует, но пока можно просто считать, что нелинейное поведение означает, что измеряемые характеристики системы не просто увеличиваются вдвое при удвоении ее размеров. Так, в приведенном примере можно сказать, что по мере увеличения размеров города происходит систематический рост величины подушного ВВП, а также средней зарплаты, уровня преступности и многих других характеристик города. Это отражает одну существенную особенность всех городов, а именно тот факт, что социальная активность и экономическая производительность систематически возрастают с ростом численности населения. Экономисты и социологи называют такую систематическую «прибавку к стоимости» увеличенной отдачей от масштаба, а физики предпочитают более привлекательный термин – суперлинейное масштабирование.

Важный пример нелинейного масштабирования можно найти в биологии, если рассмотреть количество пищи и энергии, ежедневно потребляемых животными (в том числе и нами) для выживания. Как ни странно, животному, большему другого в два раза и, следовательно, состоящему приблизительно из удвоенного числа клеток, ежедневно требуется пищи и энергии всего на 75 % больше, а не на 100 %, как можно было бы заключить из наивной линейной экстраполяции. Например, женщине, весящей 54 кг, для простого выживания без какой-либо деятельности или выполнения каких-либо задач требуется в среднем около 1300 пищевых калорий в сутки. Биологи и врачи называют эту величину основным обменом, в отличие от активного метаболизма, который включает в себя всю связанную с жизнью суточную активность. В то же время ее собаке, крупному бобтейлу, который весит в два раза меньше хозяйки (27 кг) и, следовательно, имеет приблизительно в два раза меньше клеток, казалось бы, нужно для выживания в два раза меньше пищевой энергии, то есть около 650 пищевых калорий. На самом же деле такой собаке требуется около 880 пищевых калорий в сутки.

Хотя собака – это не уменьшенная женщина, этот пример является частным случаем общего правила масштабирования метаболизма в зависимости от размеров. Оно действует для всего спектра млекопитающих, от мельчайших землероек весом всего несколько граммов до гигантских синих китов, весящих в сотни миллионов раз больше. Фундаментальное следствие из этого правила состоит в том, что более крупное животное (в этом примере – женщина) имеет больший удельный коэффициент полезного действия на грамм массы, чем животное меньшего размера (ее собака), так как для поддержки существования каждого грамма его тела требуется меньше энергии (приблизительно на 25 %). К слову, у ее лошади этот КПД будет выше. Такое систематическое повышение производительности с увеличением размера известно под названием экономии на масштабе. В самых общих чертах этот принцип гласит, что чем больше размер, тем меньше ресурсов на душу населения (или, в случае животных, на клетку или на грамм массы тела) требуется для выживания. Отметим, что такое поведение противоположно случаю увеличенной отдачи от масштаба, которая проявлялась в ВВП городов: если там подушная величина возрастала с увеличением размеров, то в случае экономии на масштабе подушная величина становится тем меньше, чем больше размер. Такое масштабирование называют сублинейным масштабированием.

Размеры и масштаб играют важную роль в определении черт поведения, общих для чрезвычайно сложных, развивающихся систем, и значительная часть этой книги посвящена объяснению и пониманию такого нелинейного поведения, а также возможностей его использования для рассмотрения широкого круга вопросов, примеры которых взяты из самых разных отраслей науки, техники, экономики и бизнеса, а также повседневной жизни, научной фантастики и спорта.

6. Масштабирование и сложность: возникновение, самоорганизация и жизнестойкость

На немногочисленных предшествующих страницах я уже успел несколько раз употребить термин сложность и бесцеремонно называл системы сложными, как если бы это название было и хорошо понятным, и точно определенным. На самом деле и то и другое неверно, и я хотел бы сделать здесь небольшое отступление, чтобы поговорить об этом изрядно перегруженном понятии. Дело в том, что почти все те системы, о которых я собираюсь говорить, обычно считают «сложными».

Далеко не я один использую это слово и его многочисленные производные походя, не давая ему определения. За последнюю четверть века такие термины, как сложные адаптивные системы, теория сложности, эмерджентное поведение, самоорганизация, жизнестойкость и адаптивная нелинейная динамика, начали распространяться не только в научной литературе, но и в публикациях делового и корпоративного мира, а также в неспециальных средствах массовой информации.

Чтобы подготовить почву для этого разговора, я хотел бы процитировать двух выдающихся мыслителей, физика и юриста. Первый из них – это знаменитый физик Стивен Хокинг. На рубеже этого тысячелетия он давал интервью[15], в котором ему задали следующий вопрос:

– Некоторые утверждают, что если ХХ век был веком физики, то сейчас мы стоим на пороге века биологии. Что вы об этом думаете?

Хокинг ответил:

– Я думаю, что следующий век будет веком сложности.

Я всецело разделяю это мнение. Как, надеюсь, я уже объяснил, для решения множества встающих перед нами сложных общественных проблем нам срочно нужна теория сложных адаптивных систем.

Вторая цитата – это хорошо известное высказывание Поттера Стюарта, выдающегося судьи Верховного суда США. Во время обсуждения концепции порнографии и ее отношения к свободе слова при рассмотрении исторического дела 1964 г. он высказал следующее замечание:

Я не стану сейчас пытаться более точно определить, какие материалы, по моему мнению, подпадают под это краткое описание [ «жесткой порнографии»]; может быть даже, я никогда не смогу дать этому более внятное определение. Однако, когда я увижу порнографию, я ее узнаю.

Если подставить вместо слов «жесткая порнография» слово «сложность», получится именно то, что могут сказать многие из нас: возможно, мы не можем определить ее, но мы узнаем ее, когда увидим.

К сожалению, однако, если «узнавать, когда увидишь» и достаточно для Верховного суда США, то науке этого мало. Наука тем и славится, что ее развитие основывается на четкости и достоверности описания предметов, которые она изучает, и концепций, которые она использует. Как правило, мы требуем, чтобы они были точными, недвусмысленными и потенциально измеримыми. В качестве классических примеров величин, точно определенных в физике, но используемых в обиходном или метафорическом смысле в повседневном языке, можно вспомнить об импульсе, энергии и температуре. При этом, однако, существует немалое число действительно важных концепций, точное определение которых все еще вызывает нешуточные споры. В их число входят понятия жизни, инноваций, сознания, любви, устойчивости, города и, между прочим, сложности. Поэтому я не буду пытаться дать научное определение сложности, а изберу промежуточный путь и опишу то, что я считаю существенными элементами типичных сложных систем, по которым мы сможем узнать их, когда увидим, и отличить их от систем, которые можно назвать простыми или «просто» очень усложненными, но не обязательно сложными. Это обсуждение ни в коем случае не следует считать полным, но оно должно помочь в понимании наиболее заметных черт того, что мы подразумеваем под названием сложных систем[16].

Типичная сложная система состоит из великого множества индивидуальных составляющих, или агентов, которые, будучи собраны вместе, приобретают коллективные характеристики, обычно не проявляющиеся в свойствах самих отдельных компонентов и непредсказуемые на их основе. Например, вы – нечто гораздо большее, чем сумма составляющих вас клеток, а каждая из ваших клеток точно так же есть нечто гораздо большее, чем сумма всех молекул, из которых она состоит. То, что вы считаете собой – ваше сознание, ваша личность, ваш характер, – есть коллективное проявление множественных взаимодействий между нейронами и синапсами вашего мозга. Они, в свою очередь, непрерывно участвуют во взаимодействиях с клетками других частей вашего тела, многие из которых являются составляющими полуавтономных органов, например сердца или печени. Кроме этого, все они в той или иной степени непрерывно взаимодействуют с окружающим миром. Более того, каким бы парадоксальным это ни казалось, ни одна из приблизительно 100 триллионов клеток, составляющих ваше тело, не обладает свойствами, которые вы признали или определили бы в качестве именно вашей сущности; ни одна из них также не осознает и не знает, что является вашей составной частью. Каждая из них, так сказать, обладает своими собственными конкретными характеристиками и следует своим собственным правилам поведения и взаимодействия, в результате чего почти что чудом образует совместно со всеми остальными клетками вашего тела то, чем являетесь вы. И это происходит, несмотря на широчайший диапазон масштабов, как пространственных, так и временных, действующих в вашем теле, от микроскопического молекулярного уровня до макроскопических масштабов вашей повседневной жизни в течение всей ее продолжительности, до сотни лет. Вы – настоящий эталон сложной системы.

Аналогичным образом город – это нечто гораздо большее, чем простая сумма его зданий, дорог и жителей, компания – нечто гораздо большее, чем простая сумма ее сотрудников и продукции, а экосистема – нечто гораздо большее, чем простая сумма населяющих ее растений и животных. Экономические результаты, динамика жизни, творческая атмосфера и культура города или компании возникают из нелинейной природы множественных механизмов обратной связи, воплощенных во взаимодействиях между их жителями или сотрудниками, их инфраструктурой и окружающей средой.

Замечательный пример такой системы дает знакомый всем нам муравейник. Всего за несколько дней муравьи буквально строят свой город с нуля, собирая его по крупинке. Они возводят замечательные здания, в которых есть многоуровневые сети туннелей и камер, вентиляционные системы, продуктовые склады и инкубаторы, причем для поддержки всего этого предусмотрены сложные транспортные сети. Лучшие из наших инженеров, архитекторов и градостроителей признали бы эффективность, прочность и функциональность этих построек достойными самых высоких наград, если бы у них были проектировщики и строители. Однако никаких маленьких, но гениальных (да, собственно говоря, даже и посредственных) муравьев-инженеров, муравьев-архитекторов и муравьев-градостроителей нет и никогда не было. Тут нет никого главного.

Муравейники строятся без предварительного обдумывания и без помощи индивидуального разума или коллективных обсуждений или консультаций. Нет ни чертежей, ни проектов. Есть лишь тысячи муравьев, которые бездумно работают вслепую, перемещая миллионы крупинок земли и песка, из которых и складываются эти впечатляющие постройки. Это достижение – результат того, что каждый отдельный муравей следует всего нескольким простым правилам, передаваемым ему химическими стимулами и другими сигналами, а все вместе они совершают поразительно согласованную коллективную работу. Почти что можно подумать, что муравьи запрограммированы на выполнение микроскопических операций в рамках одного гигантского компьютерного алгоритма.

Кстати об алгоритмах. компьютерные модели таких процессов успешно воспроизводят результаты такого типа, в которых сложное поведение возникает из непрерывного повторения действий индивидуальных агентов по чрезвычайно простым правилам. Эти модели придали вес идее о том, что умопомрачительные динамика и организация систем высокой сложности происходят из очень простых правил, управляющих взаимодействием между их отдельными составляющими. Это открытие стало возможным лишь около тридцати лет назад, когда появились компьютеры, достаточно мощные для выполнения таких крупномасштабных расчетов. Сегодня такие вычисления легко можно произвести на обычном портативном компьютере. Эти компьютерные исследования сыграли важную роль в получении убедительного подтверждения идеи о том, что в основе сложности, которую мы наблюдаем во многих таких системах, на самом деле может лежать простота, и, следовательно, эти системы могут быть доступны для научного анализа. Так в поле нашего зрения появилась теоретическая возможность создания серьезной численной теории сложности, к которой мы еще вернемся.

Таким образом, общая характеристика сложной системы, вообще говоря, состоит в том, что ее целое больше, чем простая линейная сумма ее составных частей, – и зачастую существенно отличается от нее. Во многих случаях кажется, что такое целое живет своей жизнью, почти ничем не связанной с конкретными характеристиками отдельных составляющих его элементов. Более того, даже если мы понимаем, как взаимодействуют между собой индивидуальные составляющие, будь то клетки, муравьи или люди, это обычно не позволяет нам предсказать системное поведение образованного ими целого. Этот коллективный результат, в котором система проявляет свойства, существенно отличные от получающихся при простом сложении отдельных вкладов всех составляющих ее элементов, называют эмерджентным поведением. Оно является хорошо заметной особенностью экономических систем, финансовых рынков, городских сообществ, компаний и организмов.

Самый важный урок, который мы извлекаем из этих исследований, заключается в том, что во многих из таких систем нет центрального управления. Например, при строительстве муравейника ни один из муравьев не имеет никакого понятия о том грандиозном предприятии, в котором он участвует. Муравьи некоторых видов даже используют в качестве строительного материала для сооружения своих замысловатых построек свои собственные тела: кочевые муравьи и огненные муравьи сцепляются в плоты и мосты, которые они используют для преодоления водных преград и других препятствий, встречающихся им в набегах за продовольствием. Здесь речь идет о так называемой самоорганизации. Это эмерджентное поведение, в рамках которого составные части объединяются, образуя эмерджентное (вновь возникающее) целое. Это же происходит при образовании социальных групп людей – например, книжных клубов или политических кампаний, – человеческих органов, которые можно считать результатом самоорганизации составляющих их клеток, или же городов, в которых можно увидеть проявление самоорганизации их жителей.

С концепциями эмерджентности и самоорганизации тесно связана еще одна важная характеристика сложных систем – их способность к адаптации и развитию в случае изменения внешних условий. Разумеется, наилучшим примером такой сложной адаптивной системы является сама жизнь во всех своих необычайных проявлениях, от клеток до городов. Разумеется, дарвиновская теория естественного отбора – это научная концепция, созданная именно для того, чтобы объяснить и описать непрерывный процесс развития организмов и экосистем и их адаптации к изменяющимся условиям.

Изучение сложных систем научило нас осторожному отношению к наивному разбиению систем на независимо действующие составные части. Более того, малое возмущение в одной из частей системы может привести к гигантским последствиям в других ее частях. Системе могут быть свойственны внезапные и, по-видимому, непредсказуемые изменения – классическим примером таких изменений можно считать биржевой крах. Одна или несколько тенденций могут усиливать другие тенденции в контуре с положительной обратной связью, в результате чего такой процесс быстро становится неуправляемым и переходит через пограничное состояние, по другую сторону которого поведение системы изменяется самым радикальным образом. Весьма зрелищным проявлением этого процесса был глобальный крах финансовых рынков 2008 г., имевший потенциально катастрофические социальные и экономические последствия для всего мира, порожденный неправильным пониманием динамики местечкового и сравнительно локализованного рынка американской недвижимости.

Лишь в течение последних тридцати лет ученые начали всерьез рассматривать задачи изучения сложных адаптивных систем как таковых и искать новые пути их исследования. На основе этих исследований естественным образом возник интегрированный, систематический междисциплинарный подход, включающий в себя широкий диапазон методик и концепций, позаимствованных из разных областей науки, от биологии, экономики и физики до информатики, инженерии и социально-экономических исследований. Из этих исследований можно сделать один важный вывод, состоящий в том, что, хотя подробное предсказание поведения таких систем обычно оказывается невозможным, в некоторых случаях можно получить приближенное численное описание среднего состояния наиболее заметных параметров такой системы. Например, хотя мы никогда не сможем точно предсказать дату смерти конкретного человека, понять, почему продолжительность человеческой жизни составляет порядка ста лет, должно быть вполне в наших силах. Применение таких численных методов к задачам, связанным с устойчивостью и долговременной жизнеспособностью нашей планеты, имеет первостепенное значение, поскольку в них уже заложено предположение о существовании тех взаимосвязей и взаимозависимостей, которые столь часто исключаются из рассмотрения существующими методиками.

Масштабирование от малого к большому часто сопровождается эволюцией от простого к сложному с сохранением основных элементов или составных частей системы неизменными или фиксированными. Эта особенность характерна для инженерных и экономических систем, компаний, городов, организмов и эволюционных процессов, причем в последних она проявляется, может быть, наиболее ярко. Например, небоскреб, построенный в большом городе, – это строение существенно более сложное, чем скромное семейное жилище в деревне, но основополагающие принципы их структуры и конструкции, в том числе в том, что касается механики, передачи энергии и информации, размеров электрических розеток и водопроводных кранов, телефонов, компьютеров, дверей и так далее, остаются приблизительно неизменными независимо от размеров здания. При увеличении масштаба с моего дома до нью-йоркского небоскреба эти базовые составляющие элементы не изменяются сколько-нибудь существенным образом: они остаются общими для всех нас. Аналогичным образом эволюция живых организмов привела к существованию широчайшего спектра их размеров и необычайного разнообразия типов морфологии и взаимодействий, которые часто отражают увеличение сложности; однако их элементарные составляющие – например, клетки, митохондрии, капилляры и даже листья – не претерпевают существенных изменений при изменении размеров организмов или увеличении сложности того класса систем, к которому они принадлежат.

7. сами себе сети: рост от клеток до китов

В начале этой главы я отмечал тот весьма удивительный и на первый взгляд противоречащий здравому смыслу факт, что, несмотря на все причуды и случайности эволюционной динамики, почти все наиболее фундаментальные и сложные из измеримых характеристик организмов масштабируются с размером поразительно простым и регулярным образом. Это обстоятельство ясно иллюстрирует, например, приведенный на рис. 1 график зависимости уровня метаболизма некоторых животных от массы их тела.

Эта систематическая закономерность подчиняется простой математической формуле, которую можно выразить на профессиональном языке следующим образом: «уровень метаболизма масштабируется по степенному закону с показателем близким к ». Далее я приведу гораздо более подробное объяснение этой формулы, но пока что я хотел бы привести простую иллюстрацию того, что она означает на обиходном языке. Рассмотрим следующее соотношение: слон приблизительно в 10 000 раз (10⁴, на четыре порядка величины) тяжелее крысы; соответственно, в его теле приблизительно в 10 000 раз больше клеток. Согласно степенному закону с показателем , несмотря на то что слону требуется поддерживать в 10 000 раз больше клеток, уровень его метаболизма (то есть количество энергии, необходимое для его выживания) всего в 1000 раз (10³, на три порядка) больше, чем у крысы. Обратите внимание на соотношение степеней десятки: оно равно 3:4. В этом случае при увеличении размеров действует чрезвычайно сильная экономия на масштабе, предполагающая, что клетки тела слона потребляют всего около одной десятой энергии, необходимой клеткам крысы. Стоит отметить в скобках, что следующее из этого уменьшение износа клеток в метаболических процессах лежит в основе большего долголетия слонов и дает нам возможность понять старение и смертность. Тот же закон масштабирования можно выразить и в несколько другом виде: если размеры одного животного вдвое больше размеров другого (будь то 10 кг и 5 кг или 1000 кг и 500 кг), то, используя классическое линейное мышление, можно наивно предположить, что и уровень метаболизма первого животного должен быть в два раза выше. Однако нелинейный закон масштабирования говорит, что уровень метаболизма не удваивается; на самом деле его увеличение составляет всего лишь около 75 %, что соответствует громадной экономии – по 25 % на каждое удвоение размера[17].

Отметим, что отношение, равное , – это наклон кривой на рис. 1, на котором все величины (уровень метаболизма и масса) представлены в логарифмическом масштабе, что означает, что по обеим осям отложены их десятикратные приращения. В таком представлении наклон графика равен показателю степенного закона.

Закон масштабирования уровня метаболизма, названный по имени биолога, который первым сформулировал его, законом Клайбера, применим почти для всех таксономических групп, в том числе млекопитающих, птиц, рыб, моллюсков, бактерий, растений и клеток. Однако еще большее впечатление производит тот факт, что сходные законы масштабирования действуют, по существу, для всех физиологических величин и жизненных процессов: скорости роста, частоты сердцебиения, скорости эволюции, длины генома, плотности митохондрий, количества серого вещества мозга, продолжительности жизни, высоты деревьев и даже числа листьев на них. Более того, в логарифмическом масштабе все законы масштабирования этого головокружительного набора выглядят как график, приведенный на рис. 1, а следовательно, имеют ту же математическую структуру. Все они представляют собой «степенные законы», показатель которых (наклон графика) обычно кратен : классическим примером как раз и является закон масштабирования метаболизма с показателем . Например, при удвоении размеров млекопитающего частота сердцебиения уменьшается приблизительно на 25 %. Таким образом, число 4 играет фундаментальную и почти что магически универсальную роль во всех проявлениях жизни[18].

Как такая удивительная регулярность возникает из статистических процессов и исторических случайностей, свойственных процессу естественного отбора? Повсеместное господство степенного закона масштабирования с показателями, кратными , явно указывает на то, что естественный отбор подчинялся другим общим физическим принципам, выходящим за пределы конкретных конструкций. Самоподдерживающиеся структуры высокой сложности – будь то клетки, организмы, экосистемы, города или корпорации – требуют тесного объединения огромных количеств составных частей, на всех уровнях которого необходимо действенное обслуживание. В живых системах эта задача решается путем развития фракталоподобных сетевых систем с иерархическим ветвлением, предположительно оптимизированных механизмами непрерывной «конкурентной» обратной связи, свойственными естественному отбору. Именно общие физические, геометрические и математические свойства этих сетевых систем лежат в основе законов масштабирования, отвечая в том числе и за преобладание показателей, кратных . Например, закон Клайбера вытекает из требования минимизации энергии, необходимой для циркуляции крови по системе кровообращения млекопитающих, в том числе и человека, чтобы сделать максимальной долю энергии, которую можно использовать на воспроизводство. В числе других примеров таких сетей можно назвать дыхательную, мочевыделительную и нервную системы, а также сосудистые системы деревьев и других растений. Об этих идеях мы еще поговорим несколько более подробно, так же как и о концепциях заполнения пространства (необходимости питания всех клеток тела) и фракталах (геометрии этих сетей).

В сетях млекопитающих, рыб, птиц, растений, клеток и целых экосистем, несмотря на различия их конструкций, образовавшихся в результате эволюции, действуют одни и те же основополагающие принципы и свойства. Будучи выражены в математических терминах, они не только приводят к объяснению происхождения универсальных степенных законов масштабирования с показателями, кратными , но и позволяют получить численные предсказания относительно фундаментальных характеристик этих систем, в том числе, например, размеров самых мелких и самых крупных млекопитающих (землероек и китов), напора крови и частоты пульса в любом сосуде кровеносной системы любого млекопитающего, высоты самого высокого дерева во всех Соединенных Штатах, длительности сна у слонов и мышей или структуры сосудистой системы опухолей[19].

Они же приводят нас к теории роста. Рост можно рассматривать в качестве особого случая явления масштабирования. Взрослый организм – это, по сути дела, результат нелинейного увеличения ребенка; чтобы убедиться в этом, сравните пропорции своего тела с пропорциями младенца. На любом этапе развития рост осуществляется путем распределения метаболической энергии, передаваемой по сетям клеткам уже существующим, для образования новых клеток, из которых составляются новые ткани. Этот процесс можно проанализировать при помощи теории сетей и вывести универсальную численную теорию кривых роста, применимую к любым организмам, в том числе и опухолям. Кривая роста – это попросту график зависимости размеров организма от его возраста. Если у вас есть дети, вы наверняка знакомы с такими кривыми, так как педиатры все время показывают их родителям, чтобы те могли увидеть, как развитие их детей соотносится с уровнями, ожидаемыми для среднестатистического ребенка соответствующего возраста. Теория роста также объясняет один любопытный парадокс, над которым вы, возможно, уже задумывались, а именно тот факт, что мы в какой-то момент перестаем расти, хотя и не перестаем есть. Оказывается, это явление вытекает из сублинейного масштабирования метаболизма и экономии на масштабе, свойственных такой сетевой конструкции. В одной из следующи глав та же парадигма будет применена к росту городов, компаний и экономических систем для разъяснения фундаментального вопроса о происхождении неограниченного роста и возможности его устойчивости.

Поскольку сети определяют скорость подачи в клетки энергии и других ресурсов, они задают темп всех физиологических процессов. Поскольку клетки крупных организмов вынуждены работать систематически медленнее, чем клетки организмов более мелких, темп жизни систематически снижается с ростом размеров. Так, крупные млекопитающие дольше живут, дольше взрослеют и имеют более медленное сердцебиение и клетки, работающие менее интенсивно, чем у мелких млекопитающих, причем степень всех этих различий одинакова и предсказуема. Мелкие создания живут стремительно, а крупные идут по жизни тяжеловесно, но зато более эффективно: вообразите себе суетливо мечущуюся мышку на фоне величественно выступающего слона.

Приняв на вооружение такой образ мыслей, мы перейдем к вопросу о том, как парадигму сетей и масштабирования, успешно укоренившуюся в сфере биологии, можно было бы с пользой применить к аналогичным вопросам динамики, роста и структуры городов и компаний с тем, чтобы разработать аналогичную механистическую теорию городов и компаний. Она, в свою очередь, будет использована в качестве отправной точки для рассмотрения наиболее важных вопросов глобальной устойчивости и проблем, создаваемых постоянными инновациями и увеличением темпа жизни.

8. Города и глобальная устойчивость: инновации и циклы сингулярностей

Масштабирование как проявление основополагающей сетевой теории предполагает, что в том, что касается измеряемых характеристик и черт, кита, несмотря на все различия внешнего вида и среды обитания, с хорошей точностью можно считать увеличенным слоном, слона – увеличенной собакой, а собаку, в свою очередь, – увеличенной мышью. Все они на 80–90 % являются масштабными версиями друг друга и подчиняются предсказуемым нелинейным математическим правилам. Иначе говоря, все когда-либо существовавшие млекопитающие, не исключая и нас с вами, в среднем и приближенно представляют собой масштабные версии некоего единого идеального животного. Может ли то же самое относиться к городам и компаниям? Можно ли считать Нью-Йорк увеличенным Сан-Франциско, его – увеличенным Бойсе, а тот – увеличенным Санта-Фе? Является ли Токио увеличенной Осакой, Осака – увеличенным Киото, а Киото – увеличенной Цукубой? Несомненно, все эти города, даже взятые в контексте городских систем[20] одной и той же страны, выглядят по-разному и отличаются друг от друга историей, географией и культурой. Однако то же можно сказать и о китах, лошадях, собаках и мышах. Дать серьезные ответы на такие вопросы можно лишь одним способом – рассмотрев соответствующие данные.

Анализ таких данных замечательным образом показывает, что инфраструктура города – например, протяженность дорог, электрических проводов, водопроводных труб, а также число бензоколонок – одинаково масштабируется в зависимости от численности его населения, будь то в Соединенных Штатах, Китае, Японии, Европе или Латинской Америке. Как и в биологии, масштабирование этих величин в зависимости от размера сублинейно, что указывает на наличие систематической экономии на масштабе, но степенной показатель составляет не 0,75, а около 0,85. Таким образом, чем больше город, тем меньше требуется дорог и электрических проводов на душу его населения, где бы в мире он ни находился. Оказывается, города, как и организмы, действительно являются масштабными версиями друг друга, несмотря на все различия их истории, географического положения и культуры, – по крайней мере в том, что касается их физической инфраструктуры.

Возможно, еще более замечательно то, что они также являются масштабными версиями друг друга с точки зрения социально-экономической. Социально-экономические параметры – например, размеры зарплат и капиталов, уровень здоровья населения, число патентов, заболеваемость СПИДом, число преступлений и образовательных учреждений, – которые не имеют аналогов в биологии и вообще не существовали на Земле до того, как десять тысяч лет назад люди изобрели города, тоже масштабируются относительно численности населения, но с суперлинейным (то есть большим единицы) показателем, составляющим около 1,15. Пример такого масштабирования можно найти в графике числа патентов, создаваемых в городах, приведенном на рис. 3. Таким образом, в пересчете на душу населения все эти величины систематически возрастают в той же степени, что и размеры города, при одновременном и эквивалентном уменьшении величины всех инфраструктурных параметров в соответствии с их экономией на масштабе. Несмотря на поразительные разнообразие и сложность городов всего мира, несмотря на все различия местных программ городского планирования, параметры городов проявляют на удивление незамысловатую простоту, регулярность и предсказуемость[21].

Попросту говоря, масштабирование означает, что в городе, в два раза большем другого города той же страны (будь то города с населением 40 тысяч и 20 тысяч или 4 и 2 млн человек), размеры зарплат и капитала, число патентов, заболеваний СПИДом, преступлений с применением насилия и образовательных учреждений увеличивается почти в той же степени (приблизительно на 15 % больше точного удвоения), а удельный объем инфраструктуры уменьшается на такую же величину. Чем больше город, тем большим обладает отдельный его житель, тем больше он систематически производит и потребляет, идет ли речь о благах, ресурсах или идеях. И хорошие, и плохие, и злые оказываются объединены в приблизительно предсказуемые комплекты: человек может переехать в большой город, будучи привлечен большим количеством инноваций, большим ощущением «активности» и более высокой зарплатой, но при этом он может ожидать и аналогичного увеличения уровня преступности и заболеваемости.

Тот факт, что для различных городских параметров городов и агломераций, развивавшихся независимо в разных частях света, наблюдаются одни и те же законы масштабирования, является сильным аргументом в пользу существования неких основополагающих принципов, подобных тем, что существуют в биологии, и не зависящих от исторических, географических и культурных особенностей, а также в пользу возможности создания фундаментальной, приблизительной теории городов. В главе 8 я буду говорить о том, что неразрешимые противоречия между преимуществами и стоимостью социальных и инфраструктурных сетей происходят из лежащей в основе последних универсальной динамики сетевых социальных структур и групповой кластеризации взаимодействий между людьми. Города образуют естественный механизм получения преимуществ от высокой социальной связности между разными людьми, осознающими и решающими проблемы разнообразными способами. Я буду говорить о природе и динамике таких сетевых социальных структур и покажу, как возникают законы масштабирования, в том числе и любопытная связь между 15 %-м ростом всех, как положительных, так и отрицательных, видов социально-экономической активности и эквивалентной ему 15 %-й экономией физической инфраструктуры.

Когда люди начали образовывать крупные сообщества, они привнесли на нашу планету принципиально новую динамику. Изобретение языка и последующий обмен информацией в пространстве социальных сетей позволили нам научиться вводить инновации и создавать ценности и идеи, что в конечном итоге и привело к суперлинейному масштабированию. В биологии сетевая динамика ограничивает темп жизни, заставляя его систематически снижаться с увеличением размеров в соответствии со степенными законами с показателями, кратными . Напротив, динамика социальных сетей, лежащая в основе создания ценностей и инноваций, порождает противоположное поведение, а именно систематическое увеличение темпа жизни с увеличением размеров городов. Болезни распространяются быстрее, предприятия возникают и закрываются чаще, сделки проводятся с большей скоростью, и даже люди в большом городе ходят быстрее – и все эт следует правилу приблизительно 15 %-го увеличения. Все мы чувствуем, что жизнь в большом городе идет быстрее, чем в маленьком, и что ее темп повсеместно возрастает в течение нашей собственной жизни по мере увеличения городов и экономического роста.

Необходимым топливом роста являются энергия и другие ресурсы. В биологии в качестве движущей силы роста выступает метаболизм, сублинейный характер масштабирования которого приводит к предсказуемому, почти неизменному размеру в зрелом состоянии. С точки зрения традиционного экономического мышления такое состояние считалось бы катастрофическим, поскольку здоровые экономические системы, будь то на уровне города или целой страны, характеризуются неограниченным экспоненциальным ростом, по меньшей мере на несколько процентов в год и до бесконечности. Если сублинейное масштабирование уровня метаболизма приводит в биологии к ограничению роста, то суперлинейное масштабирование создания ценностей и инноваций (которое можно измерить, например, по числу выдаваемых патентов) приводит к неограниченному, часто превышающему экспоненциальный росту, согласующемуся с неограниченными экономическими системами. Такое соответствие не может не радовать, но есть одна большая проблема, известная под неприятным техническим названием сингулярности конечного времени. Суть ее сводится к тому, что теория также предсказывает, что неограниченный рост невозможно поддерживать, не располагая бесконечными ресурсами либо не производя фундаментальных, системных изменений, которые «обнуляли» бы отсчет времени до наступления потенциального краха. До сих пор мы поддерживали неограниченный рост и избегали краха благодаря непрерывному циклу радикально изменяющих систему инноваций, например связанных с величайшими в истории человечества открытиями и изобретениями – железа, пара, угля, вычислительной техники и, совсем недавно, цифровых информационных технологий. Один лишь перечень таких открытий, великих и малых, служит доказательством необычайной изобретательности коллективного разума человечества.

Однако и здесь, к сожалению, есть одна серьезная проблема. Теория утверждает, что такие открытия должны делаться со всевозрастающей частотой; время, проходящее между последовательными инновациями, должно систематически и неизбежно сокращаться. Например, между «компьютерным веком» и «информационно-цифровым веком» прошло лет двадцать, в то время как между каменным, бронзовым и железным веками проходили тысячелетия. Поэтому, если мы и дальше собираемся поддерживать непрерывный неограниченный рост, это приведет не только к неизбежному увеличению темпа жизни, но и к необходимости все большего увеличения частоты инноваций. Краткосрочное проявление этого принципа всем нам хорошо знакомо – речь идет о росте скорости появления все новых технических новинок и моделей. Ощущение такое, будто мы оказались на последовательности движущихся все быстрее беговых дорожек, да еще и вынуждены перепрыгивать с одной на другую со всевозрастающей частотой. Такая ситуация явно не может быть устойчивой и потенциально может привести к краху всей урбанизированной социально-экономической системы. Бесконтрольное создание ценностей и инноваций, питающее социальные системы, в то же время сеет потенциальные семена их неизбежного краха. Можем ли мы избежать этой судьбы, или же мы заперты в интереснейшем, но обреченном на неудачу эксперименте в области естественного отбора?

9. Компании и предприятия

Область применения этих идей естественно расширить, чтобы попытаться узнать, насколько они применимы к компаниям. Может ли существовать численная, обладающая предсказательной силой теория компаний? Проявляют ли компании систематические регулярные черты, не зависящие от их размеров и сферы деятельности? Например, можно ли считать, что в том, что касается торгового оборота и размеров активов, компании Walmart и Google, доходы которых превышают полтриллиона долларов, – это приблизительно увеличенные версии более мелких компаний с объемом продаж менее 10 миллионов? Как это ни удивительно, ответ на этот вопрос получается утвердительным, как видно из рис. 4: компании, подобно организмам и городам, также подчиняются простым степенным законам масштабирования. Не менее удивительно и то, что их масштабирование в зависимости от размеров сублинейно, а не суперлинейно, как социально-экономические параметры городов. В этом отношении компании гораздо более похожи на живые организмы, чем на города. Степенной показатель масштабирования компании составляет около 0,9, в то время как для городских инфраструктур он был равен 0,85, а для организмов – 0,75. Однако колебания вокруг точного уровня масштабирования у компаний гораздо больше, чем у организмов или городов. Особенно велики эти колебания на ранних стадиях развития компаний, на которых они еще сражаются за место на рынке. Тем не менее удивительная регулярность, проявляющаяся в среднем в их поведении, заставляет предположить, что, несмотря на их широкое разнообразие и кажущуюся индивидуальность, рост и деятельность компаний подчиняются общим ограничениям и принципам, не зависящим ни от их размера, ни от области их работы.

Сублинейное масштабирование метаболизма организмов обеспечивает прекращение их роста и определяет их размер в зрелом состоянии, который остается приблизительно неизменным до самой их смерти. Сходная жизненная траектория действует и для компаний. В первые годы своего существования они быстро растут, но по мере приближения к зрелости этот рост замедляется, и, если компания вообще выживает, она рано или поздно перестает расти относительно ВВП. В юности, когда компании пытаются оптимизировать свою рыночную позицию, развитие многих из них определяет целый спектр инновационных идей. Однако по мере их роста и стабилизации их положения диапазон их продукции неизбежно сужается, причем одновременно с этим они вынуждены развивать значительную административную и бюрократическую структуру. Сравнительно быстро экономия на масштабе и сублинейное масштабирование, отражающие задачи эффективного управления большой и сложной организацией, начинают доминировать над инновациями и идеями, заключенными в суперлинейном масштабировании, и это в конце концов приводит к застою и смерти. Половина всех предприятий любого из поколения компаний, котирующихся на американских биржах, исчезает в течение десяти лет, и лишь немногие доживают до пятидесяти, не говоря уже о ста[22].

По мере роста компании, как правило, становятся все более и более одномерными, что отчасти бывает вызвано воздействием рыночных сил, но также связано с неизбежным окостенением направленных сверху вниз административных и бюрократических потребностей, которые считаются необходимыми для управления компанией традиционного типа в современную эпоху. Осуществление изменений, адаптации и переосмысления становится все более затруднительным, особенно с учетом непрерывного ускорения социально-экономических часов и все большего роста скорости изменения условий существования. В то же время города по мере роста своих размеров становятся все более многомерными. Кроме того, города разительно отличаются от большинства компаний тем, что их разнообразие, определенное по числу разных типов работ и предприятий, образующих их экономический пейзаж, систематически и непрерывно возрастает с увеличением размеров города вполне предсказуемым образом. С учетом этого неудивительно, что кривые роста и смертности компаний чрезвычайно похожи на соответствующие кривые роста и смертности живых организмов. В обоих случаях наблюдаются систематически сублинейное масштабирование, экономия на масштабе, ограниченный рост и конечная продолжительность жизни. Более того, вероятность смерти, которую обычно называют уровнем смертности и определяют как частоту смертей относительно числа остающихся в живых, неизменна независимо от возраста животного или компании. Смертность котирующихся на бирже компаний в результате поглощений, слияний и банкротств остается той же независимо от того, насколько они солидны и чем они занимаются. Механистические основы понимания роста, смертности и организационной динамики компаний, а также их сравнение и противопоставление с ростом и смертностью живых организмов и неограниченным ростом и кажущимся «бессмертием» городов будут более подробно обсуждаться в главе 9.

Введение в масштабирование

Прежде чем обратиться к многочисленным проблемам и вопросам, упомянутым во вступительной главе, я хотел бы посвятить эту главу общему введению в некоторые базовые концепции, которые используются во всем остальном тексте этой книги. Хотя некоторые из читателей могут быть уже знакомы с этим материалом, я хочу быть уверен в том, что все мы понимаем его одинаково.

Этот обзор составлен главным образом в историографическом ключе: он начинается с Галилея и объяснения того, почему не могут существовать гигантские насекомые, и заканчивается лордом Рэлеем и объяснением того, почему небо синее. Между этими пунктами я коснусь Супермена, ЛСД и дозировки медикаментов, индексов массы тела, кораблекрушений и истоков теории моделирования, а также связи всего этого с происхождением и природой инноваций и пределов роста. Я хочу использовать эти примеры прежде всего для того, чтобы дать представление о концептуальных возможностях математического мышления, ориентирующегося на понятие масштаба.

1. От Годзиллы до Галилея

Я, как и многие другие ученые, время от времени получаю от журналистов просьбы об интервью, обычно по каким-нибудь вопросам или проблемам, касающимся городов, урбанизации, окружающей среды, устойчивости, сложности или Института Санта-Фе, а иногда даже бозона Хиггса. Вообразите же мое удивление, когда ко мне обратилась одна журналистка из «Популярной механики» (Popular Mechanics), которая сообщила мне, что Голливуд собирается выпустить новую крупнобюджетную версию классического японского фильма «Годзилла», и поинтересовалась моим мнением по этому вопросу. Как вы, возможно, помните, Годзилла – это огромное чудовище, которое главным образом занимается тем, что слоняется по городам (в оригинале 1954 г. – по Токио), сея разрушения и хаос и наводя ужас на население.

Журналистка слышала, что я кое-что знаю о масштабировании, и просила меня «весело, простенько и по-научному рассказать о биологии Годзиллы (в связи с выходом нового фильма)… с какой скоростью такое большое животное может ходить… сколько энергии будет вырабатывать его обмен веществ, сколько оно могло бы весить и т. д.». Разумеется, этот новый американский Годзилла XXI в. был самым крупным из всех воплощений этого персонажа: его рост достигал целых 106 м, более чем вдвое превышая рост чудовища в исходном японском фильме, составлявший «всего» 50 м. Я немедленно ответил, что почти любой ученый, к которому она обратится, скажет ей, что никакое животное типа Годзиллы на самом деле существовать не может. Если бы оно состояло приблизительно из тех же базовых материалов, что и мы (то есть все живые существа), оно было бы нежизнеспособно, так как обрушилось бы под собственным весом.

Научное обоснование этого утверждения сформулировал более четырехсот лет назад, на заре современной науки, Галилей. Самую суть его составляет элегантное рассуждение о масштабировании: Галилей задался вопросом о том, что произойдет, если попытаться бесконечно увеличивать животное, дерево или здание, и выяснил, что у такого увеличения имеются пределы. Его рассуждение стало базовым шаблоном для всех последующих рассуждений о масштабировании вплоть до настоящего времени.

Галилея не зря часто называют «отцом современной науки», имея в виду его многочисленные фундаментальные вклады в физику, математику, астрономию и философию. Наверное, более всего известны его легендарные опыты, в которых он бросал предметы разных размеров, изготовленные из разных материалов, с вершины наклонной Пизанской башни, чтобы продемонстрировать, что все они достигают земли за одно и то же время. Это неочевидное наблюдение противоречило Аристотелевой догме, согласно которой тяжелые предметы падают быстрее, чем легкие, и скорость их падения прямо пропорциональна их весу. Это фундаментальное заблуждение никем не подвергалось сомнению в течение почти двух тысяч лет, пока Галилей наконец не проверил его на опыте. Задним числом кажется удивительным, что до исследований Галилея никто, по-видимому, не задумывался о справедливости этого «самоочевидного факта», не говоря уже о том, чтобы проверить его.

Галилей в возрасте тридцати пяти и шестидесяти девяти лет; он умер менее чем десятью годами позже. Старение и смертность, которые наглядно иллюстрируют эти портреты, подробно обсуждаются в главе 4

Опыт Галилея произвел революцию в нашем фундаментальном понимании движения и динамики и проложил дорогу Ньютону с его знаменитыми законами движения. Эти законы привели к появлению точной, обладающей предсказательной силой численной математической системы понимания любого движения, будь то на Земле или на другом конце Вселенной, объединив тем самым небеса и Землю под властью одних и тех же законов природы. Это не только дало новое определение места человека в мироздании, но и создало эталон для всех последующих научных исследований, в том числе подготовив почву для наступления века Просвещения и научно-технических революций двух последних столетий.

Галилей также знаменит тем, что усовершенствовал конструкцию телескопа и открыл луны Юпитера, что убедило его в справедливости Коперниковой точки зрения на строение Солнечной системы. Однако Галилею пришлось дорого заплатить за последовательное отстаивание гелиоцентрической гипотезы, вытекавшей из его наблюдений. В возрасте шестидесяти девяти лет, тяжелобольным, он предстал перед судом инквизиции, который признал его воззрения еретическими. Он был вынужден отречься от своих взглядов и после недолгого тюремного заключения провел остаток жизни (еще девять лет, в течение которых он ослеп) под домашним арестом. Его книги были запрещены и попали в печально известный ватиканский «Индекс запрещенных книг» (Index Librorum Prohibitorum). Лишь в 1835 г., более двухсот лет спустя, его работы были исключены из этого списка, и только в 1992-м – по прошествии почти четырех веков – папа Иоанн Павел II публично выразил сожаление по поводу обращения церкви с Галилеем. Мысль о том, что какие-то слова, написанные в незапамятные времена на еврейском, греческом и латинском языках, основанные на чьих-то личных мнениях, догадках и предрассудках, могли столь безапелляционно перевешивать результаты научных наблюдений и математическую логику, действует отрезвляюще. Как ни печально это признавать, мы и сегодня не можем похвастаться полной свободой от таких заблуждений.

Несмотря на ужасную трагичность того, что случилось с Галилеем, его заключение принесло человечеству огромную выгоду. Возможно, это произошло бы и в другом случае, но именно находясь под домашним арестом, он написал, вероятно, лучшую свою работу, одно из поистине великих произведений научной литературы, озаглавленное «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки» (Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due nuove scienze, 1638)[23]. Эта книга, по сути дела, подводит итоги предыдущих сорока лет работы Галилея, в течение которых он пытался разработать систематический подход к задаче логического, рационального понимания окружающего нас природного мира. Этой работой он заложил тот фундамент, на котором впоследствии возникли не менее основополагающие труды Исаака Ньютона и практически вся позднейшая наука. Эйнштейн не преувеличивал, когда, говоря об этой книге, назвал Галилея «отцом современной науки»[24].

Это великая книга. Несмотря на непривлекательное название и несколько архаичный язык и стиль изложения, ее на удивление приятно и интересно читать. Она написана в форме «бесед» трех человек (Симпличио, Сагредо и Сальвиати), которые встречаются на протяжении четырех дней и обсуждают различные вопросы, великие и малые, ответов на которые искал Галилей. Симпличио символизирует «простого» обывателя, интересующегося устройством мира и задающего ряд вопросов, кажущихся наивными. Сальвиати – ученый (Галилей!), знающий ответы на все вопросы, которые излагаются в авторитетной, но терпеливой манере, а Сагредо играет роль посредника между этими двумя, то подвергая сомнению утверждения Сальвиати, то подбадривая Симпличио.

На второй день своих бесед они переходят к несколько туманному на первый взгляд обсуждению прочности веревок и балок, и как раз в тот момент, когда читатель уже начинает недоумевать, куда приведет этот довольно нудный, перегруженный подробностями разговор, туман рассеивается, все освещается, и Сальвиати делает следующее заявление:

Из того, что было сейчас доказано, мы ясно видим невозможность не только для искусства, но и для самой природы беспредельно увеличивать размеры своих творений. Так, невозможна постройка судов, дворцов и храмов огромнейшей величины, коих весла, мачты, балки, железные скрепы, словом, все части держались бы прочно. Однако и природа не может произвести деревья несоразмерной величины, так как ветви их, отягощенные собственным чрезвычайным весом, в конце концов сломились бы. Равным образом невозможно представить себе костяк человека, лошади или другого живого существа слишком большой величины, который бы держался и соответствовал своему назначению… увеличение размеров до чрезмерной величины имело бы следствием то, что тело было бы раздавлено и сломано тяжестью своего собственного веса[25].

Вот и все: Галилей чуть ли не четыреста лет назад предугадал наши параноидальные фантазии о гигантских муравьях, жуках, пауках и тех же самых Годзиллах, столь ярко изображаемые в комиксах и фильмах, а затем самым блестящим образом продемонстрировал их физическую невозможность. Точнее говоря, он показал, что реально достижимая величина всех этих существ ограничена некими фундаментальными пределами. Так что многочисленные образы научной фантастики в области фантастики и остаются.

Рассуждение Галилея отличается элегантностью и простотой, но имеет при этом весьма глубокие следствия. Кроме того, оно служит превосходным введением во многие из тех концепций, которые мы будем рассматривать в следующих главах. Оно состоит из двух частей: геометрического доказательства, демонстрирующего, как масштабируются площадь и объем любого объекта при увеличении его размеров (рис. 5), и инженерного доказательства, показывающего, что прочность колонн, поддерживающих здания, конечностей, на которые опираются животные, или стволов деревьев пропорциональна площади их поперечного сечения (рис. 6).

В следующей рамке приведен общедоступный вариант первого из этих доказательств, показывающего, что если форма объекта неизменна, то при увеличении его размеров все его поверхности увеличиваются пропорционально квадрату, а все его объемы – пропорционально кубу линейных размеров.

Рассуждение галилея о масштабировании поверхностей и объемов

Для начала рассмотрим простейший геометрический объект, например квадратную плитку, и представим себе ее увеличение до большего размера (см. рис. 5). Например, предположим, что длина ее стороны равна 1 м, то есть ее площадь, полученная перемножением длин смежных сторон, равна 1 м 1 м = 1 м. Если удвоить длины всех ее сторон, увеличить их с 1 до 2 м, то площадь плитки увеличится до 2 м 2 м = 4 м. Точно так же, если длины сторон утроить (увеличить до 3 м), площадь возрастет до 9 м – и так далее. Общее правило очевидно: площадь возрастает пропорционально квадрату длины.

Это соотношение остается справедливым не только для квадратов, а для любой двумерной геометрической фигуры, если ее форма остается неизменной при одинаковом увеличении всех линейных размеров. Простой пример дает круг: например, при удвоении его радиуса площадь круга увеличивается в 2 2 = 4 раза. В более общем случае удвоение всех линейных размеров вашего дома при сохранении неизменными его формы и конфигурации приведет к увеличению площадей всех поверхностей, например стен и полов, в четыре раза.

Эти же рассуждения можно простым образом перенести на объемы. Для начала рассмотрим простой куб: если длины всех его сторон увеличить в два раза, например с 1 м до 2 м, то его объем увеличится с 1 м до 2 2 2 = 8 м. Аналогичным образом, если эти длины увеличить втрое, объем возрастет в 3 3 3 = 27 раз. Как и в случае площади поверхностей, это правило можно обобщить на случай любых объектов произвольной формы, если она сохраняется неизменной, и заключить, что при увеличении любого объекта его объем возрастает пропорционально кубу его линейных размеров

Рис. 5. Иллюстрация масштабирования объемов и площади поверхностей для простейшего случая квадратов и кубов

Рис. 6. Прочность балки или конечности пропорциональна площади их поперечного сечения

При удвоении всех длин

Площадь поверхности увеличивается в 2 2 = 4 (22) раза

Объем увеличивается в 2 2 2 = 8 (23) раз

Таким образом, при увеличении размеров объекта его объем увеличивается гораздо быстрее, чем площадь его поверхностей. Приведем простой пример: при удвоении всех линейных размеров дома с сохранением его формы объем увеличивается в 2³ = 8 раз, а площадь помещений – всего в 2² = 4 раза. Если взять гораздо более радикальный случай и увеличить все линейные размеры в 10 раз, все площади поверхностей – полов, стен, потолков и так далее – увеличатся в 10  10 = 100 раз (то есть стократно), а объемы помещений возрастут много больше, в 10  10  10 = 1000 раз (то есть тысячекратно).

Это обстоятельство чрезвычайно важно для устройства и деятельности многого из того, что нас окружает, будь то здания, в которых мы живем и работаем, или строение животных и растений природного мира. Например, уровни отопления, охлаждения и освещения в большинстве случаев пропорциональны площади поверхности нагревателей, кондиционеров и окон. Поэтому их производительность растет гораздо медленнее, чем объем помещений, которые требуется отапливать, охлаждать или освещать, поэтому при масштабном увеличении здания его потребности в этом отношении возрастают непропорционально. Сходным образом для крупных животных может быть проблематичным обеспечение рассеяния тепла, выделяемого в результате обмена веществ и физической деятельности, так как площадь поверхности, через которую это тепло рассеивается, у них меньше относительно объема тела, чем у животных более мелких. Например, слоны решили эту проблему, отрастив себе непропорционально большие уши, которые существенно увеличивают площадь поверхности их тела и позволяют рассеивать большее количество тепла.

Весьма вероятно, что принципиальное различие между масштабным увеличением поверхностей и объемов осознавали многие и до Галилея. Его дополнительная новая идея заключалась в объединении этой геометрической истины с осознанием того, что прочность колонн, балок и членов тела определяется величиной площади их поперечного сечения, а не длиной. Так, столб с прямоугольным сечением 4 на 10 см (= 40 см) может поддерживать вес, в четыре раза больший, чем столб из того же материала, линейные размеры поперечного сечения которого в два раза меньше, то есть 2 на 5 см (= 10 см) независимо от длин обоих столбов. Первый из них может быть длиной 2 м, а второй – 4, это не имеет значения. Именно поэтому строители, архитекторы и инженеры, занимающиеся строительством, классифицируют пиломатериалы по площади поперечного сечения, а в строительных магазинах их снабжают этикетками типа «40  40», «40  50», «50  50» и так далее.

Однако при масштабном увеличении здания или животного их вес возрастает прямо пропорционально объему – если, конечно, материалы, из которых они состоят, не изменяются и, следовательно, их плотность остается той же. Таким образом, увоение объема приводит к удвоению веса. Это означает, что вес, который поддерживает колонна или конечность, возрастает значительно быстрее, чем увеличивается прочность: вес (как и объем) масштабируется пропорционально кубу линейных размеров, а прочность увеличивается лишь пропорционально их квадрату. Чтобы проиллюстрировать это положение, представим себе дерево или здание, высота которых увеличивается в 10 раз, а форма остается неизменной. Тогда вес, который необходимо поддерживать, возрастает тысячекратно (в 10³ раз), а прочность колонны или ствола, поддерживающих этот вес, – лишь стократно (в 10² раз). Таким образом, способность поддерживать дополнительный вес после такого увеличения оказывается равна всего лишь одной десятой исходной величины. Поэтому произвольное увеличение размеров конструкции, какой бы она ни была, рано или поздно приведет к ее обрушению под собственным весом. Размер и рост имеют пределы.

Иначе говоря, по мере увеличения размеров последовательно уменьшается относительная прочность. Или, если использовать яркий образ, который приводит сам Галилей, «в телах меньших замечается даже относительное увеличение [прочности], так, я думаю, что небольшая собака может нести на себе двух или даже трех таких же собак, в то время лошадь едва ли может нести на спине одну только другую лошадь, равную ей по величине»[26].

2. Ошибочные выводы и недоразумения с масштабами: Супермен

Супермен, впервые появившийся на Земле в 1938 г., до сих пор остается одним из величайших кумиров мира фантастики и фэнтези. Я привожу здесь первую страницу первого комикса о Супермене 1938 г., на которой объяснялось его происхождение[27]. Еще младенцем он прилетел с планеты Криптон, «физическое строение обитателей которой на миллионы лет опередило наше. В зрелом возрасте представители его расы приобретали титаническую силу». Действительно, повзрослевший Супермен «легко мог прыгать на мили[28], перескакивать через двадцатиэтажные здания… поднимать огромные тяжести… бежать быстрее скоростного поезда…» – и все эти качества торжественно провозглашались в знаменитой заставке к радиопередачам и позднейшим телевизионным сериалам и фильмам: «Он быстрее летящей пули. Он сильнее локомотива. Он может перепрыгнуть через высотное здание одним прыжком. ‹…› Это Супермен!»

Исходный миф о Супермене и объяснение его сверхсилы; начальная страница первого комикса о Супермене 1938 г.

Все это, может быть, и так. Но в последнем квадрате этой же первой страницы мы находим еще одно смелое заявление, настолько важное, что его даже набрали прописными буквами: «НАУЧНОЕ ОБЪЯСНЕНИЕ ПОРАЗИТЕЛЬНОЙ СИЛЫ КЛАРКА КЕНТА… Невероятно? Нет! Ибо прямо сейчас в нашем мире есть существа, обладающие сверхсилой!» В подтверждение этому приводятся два примера: «Скромный муравей может держать вес, в сотни раз превышающий его собственный» и «Кузнечик прыгает на расстояние, которое для человека составило бы длину нескольких кварталов».

Какими бы убедительными ни казались эти примеры, в них проявляются классическое непонимание и ошибочные выводы из достоверных фактов. Муравей кажется, по меньшей мере на первый взгляд, гораздо сильнее человека. Однако, как мы узнали от Галилея, относительная прочность или сила систематически увеличивается с уменьшением размеров. Поэтому при уменьшении масштаба с размеров собаки до размеров муравья из простых правил масштабного изменения силы при изменении размеров следует, что если «небольшая собака может нести на себе двух или даже трех таких же собак», то муравей сможет нести на своей спине целую сотню муравьев такого же размера. Кроме того, поскольку человек приблизительно в 10 миллионов раз тяжелее муравья, из того же рассуждения следует, что человек может нести на себе лишь одного другого человека. Таким образом, муравей на самом деле обладает силой, нормальной для существа его размера, так же как и человек, и в том, что он способен поднять груз, вес которого в сто раз превышает его собственный, нет ничего необычного или удивительного.

Это недоразумение возникает из-за естественной склонности к линейному мышлению, которое подразумевает, что удвоение размеров животного приводит к удвоению его силы. Будь это так, мы были бы в 10 миллионов раз сильнее муравьев и смогли бы поднимать около тонны, что соответствует способности Супермена поднимать более десяти человек за раз.

3. Порядки величины, логарифмы, землетрясения и шкала Рихтера

Как мы только что видели, при увеличении линейных размеров объекта в 10 раз без изменения его формы или состава, площади его поверхностей (и, следовательно, прочность) увеличиваются в 100 раз, а объемы его частей (и, следовательно, вес) – в 1000 раз. Такие степени десяти называют порядками величины и обычно записывают в удобном сокращенном виде: 10¹, 10², 10³ и так далее. Степенной показатель – маленькие цифры над десяткой – показывает, сколько нулей следует после единицы. Так, 10⁶ обозначает миллион, то есть шесть порядков величины, так как это число записывается в виде единицы с шестью нулями: 1 000 000.

В этих обозначениях результат, полученный Галилеем, можно выразить следующим образом: при увеличении линейного размера на каждый порядок площадь и прочность увеличиваются на два порядка, а объем и вес – на три порядка. Из этого следует, что при увеличении площади на один порядок величины объем увеличивается на 3/2 (то есть полтора) порядка. То же соотношение существует и между прочностью и весом: при увеличении прочности на один порядок величины вес, который может поддерживать данная конструкция, увеличивается на полтора порядка. И наоборот, если вес увеличивается на один порядок величины, прочность возрастает лишь на порядка. В этом состоит существенное проявление нелинейного соотношения между этими величинами. Если бы это соотношение было линейным, то при увеличении площади на один порядок величины объем тоже увеличивался бы на один порядок.

Хотя многие из нас могут этого и не осознавать, концепция порядков величины, в том числе и дробных, знакома всем нам из сообщений о землетрясениях, появляющихся в средствах массовой информации. Мы нередко слышим в новостях что-нибудь вроде «сегодня в Лос-Анджелесе было зарегистрировано умеренное землетрясение силой 5,7 балла по шкале Рихтера; толчок поколебал многие здания, но причинил лишь незначительные повреждения». А иногда мы узнаем о землетрясениях, подобных тому, что произошло в лос-анджелесском районе Нортридж в 1994 г. Хотя его сила по шкале Рихтера была выше всего на один балл, причиненные им разрушения были огромны. Ущерб от землетрясения в Нортридже силой 6,7 балла составил более 20 миллиардов долларов, причем погибли 60 человек, что делает его одним из самых тяжелых с экономической точки зрения стихийных бедствий в истории США. В то же время землетрясение силой 5,7 балла может причинить лишь пренебрежимо малый ущерб. Такая огромная разница в последствиях при, казалось бы, небольшом увеличении силы толчка связана с тем, что в шкале Рихтера величины выражаются в порядках величины.

Поэтому увеличение на один балл на самом деле означает увеличение на один порядок, и землетрясение силой 6,7 балла на самом деле в десять раз сильнее, чем землетрясение силой в 5,7 балла. Точно так же землетрясение силой 7,7 балла – такое произошло на Суматре в 2010 г. – в 10 раз сильнее, чем землетрясение в Нортридже, и в 100 раз сильнее, чем землетрясение силой 5,7 балла. Землетрясение на Суматре произошло в сравнительно малонаселенной местности, но и оно принесло обширные разрушения, так как вызвало цунами, которое оставило без жилья более 20 тысяч человек и убило почти пятьсот. К несчастью, пятью годами раньше Суматра перенесла еще более разрушительное землетрясение силой8,7 балла, то есть еще в 10 раз больше. Разумеется, уровень разрушений, вызываемых землетрясением, зависит не только от его силы, но и от местных условий – например, численности и плотности населения, прочности зданий и инфраструктуры и так далее. Сила землетрясения в Нортридже 1994 г. и более недавнего землетрясения в Фукусиме 2011 г., причинивших огромные разрушения, составляла, соответственно, «всего» 6,7 и 6,6 балла.

Собственно говоря, шкала Рихтера измеряет амплитуду «тряски» при землетрясении, регистрируемую сейсмометрами. Количество выделяющейся при этом энергии масштабируется относительно этой амплитуды нелинейно: при увеличении измеренной амплитуды землетрясения на один порядок выделяющаяся энергия увеличивается на полтора (то есть 3/2) порядка величины. Это означает, что изменение амплитуды на два порядка величины эквивалентно изменению выделяющейся энергии на три порядка (в 1000 раз), а изменение всего на 1,0 балла соответствует изменению энергии в квадратный корень из тысячи, то есть в 31,6 раза[29].

Чтобы получить некоторое представление об огромной энергии землетрясений, можно рассмотреть некоторые цифры: при взрыве одного фунта (то есть около 0,5 кг) тринитротолуола высвобождается энергия, приблизительно соответствующая 1 баллу по шкале Рихтера. Сила 3 балла эквивалентна взрыву 1000 фунтов (около 500 кг) ТНТ: взрыв приблизительно такой силы произошел в 1995 г. во время теракта в Оклахома-Сити. 5,7 балла по шкале Рихтера соответствуют приблизительно 5000 т взрывчатки; 6,7 (сила землетрясений в Нортридже и Фукусиме) – приблизительно 170 000 т; 7,7 (землетрясение 2010 г. на Суматре) – приблизительно 5,4 млн т; а 8,7 (землетрясение 2005 г. на Суматре) – приблизительно 170 млн т. Самым сильным из зарегистрированных землетрясений было Великое чилийское землетрясение 1960 г. в городе Вальдивия: его сила составила 9,5 балла (почти в тысячу раз больше по амплитуде, чем в Нортридже и Фукусиме), что соответствует 2700 млн тонн ТНТ.

Отметим для сравнения, что атомная бомба «Малыш», сброшенная в 1945 г. на Хиросиму, высвободила энергию, эквивалентную приблизительно 15 000 тонн ТНТ. Средняя водородная бомба высвобождает более чем в тысячу раз больше энергии, что соответствует крупному землетрясению силой 8 баллов. Речь идет об огромных количествах энергии: 170 млн тонн ТНТ, энергии суматранского землетрясения 2005 г., достаточно для энергоснабжения города с населением 15 миллионов человек (то есть размером со всю агломерацию Большого Нью-Йорка) в течение целого года.

Масштаб, в котором приращение идет не линейно (1, 2, 3, 4, 5…), а по степеням десяти (10¹, 10², 10³, 10⁴, 10⁵…), как на шкале Рихтера, называется логарифмическим. Отметим, что в этом масштабе на самом деле происходит линейное увеличение порядков величины, как видно по показателям степени десяти (верхним индексам). Одна из многочисленных особенностей логарифмического масштаба состоит в том, что она позволяет отображать на одном и том же графике величины, отличающиеся друг от друга по одной из осей во много раз, например силу землетрясения в Вальдивии, землетрясения в Нортридже и взрыва динамитной шашки, то есть значения, различающиеся более чем в миллиард (10⁹) раз. На графике, построенном в линейном масштабе, это было бы невозможно, так как большинство точек сгрудилось бы в самом низу графика. Чтобы построить в линейном масштабе график, включающий в себя все землетрясения, сила которых различается на пять или шесть порядков величины, потребовался бы лист бумаги длиной несколько километров – потому и была изобретена шкала Рихтера.

Благодаря тому что логарифмический масштаб дает удобную возможность компактного представления величин разных порядков на одной и той же странице, он широко используется во всех научных дисциплинах. Эту методику, позволяющую охватить сразу весь диапазон сильно изменяющихся величин, широко применяют, например, для представления яркости звезд, кислотности химических растворов (величины рН), физиологических характеристик животных или ВВП разных стран мира. Именно так построены графики, приведенные на рис. 1–4 во вступительной главе.

4. Тяжелая атлетика и проверка Галилея

Важная особенность науки, часто отличающая ее от других умственных занятий, состоит в требовании подтверждения гипотез опытами и наблюдениями. Это вовсе не тривиальное обстоятельство, как можно видеть из того факта, что утверждение Аристотеля, согласно которому скорость предметов, падающих под действием силы тяжести, пропорциональна их весу, никто не удосужился проверить в течение более двух тысяч лет, а когда его наконец проверили, оно оказалось ошибочным. К сожалению, хотя многие из наших нынешних догм и убеждений, особенно в ненаучных областях, точно так же остаются непроверенными, в них безоговорочно верят, даже не пытаясь найти им каких-либо подтверждений – и это порой приводит к неприятным и даже катастрофическим последствиям.

Поэтому, завершив наше отступление, посвященное степеням десяти, я хотел бы приложить то, что мы узнали о порядках величины и логарифмах, к проверке предсказаний Галилея относительно масштабирования прочности или силы при изменении массы. Можно ли показать, что в «реальном мире» сила действительно изменяется с массой так, как предсказывает правило, гласящее, что изменение порядка ее величины должно происходить в пропорции два к трем?

В 1956 г. химик М. Г. Лицке придумал простое и элегантное подтверждение предсказания Галилея. Он осознал, что данные о том, как максимальная сила масштабируется при изменении массы тела, по меньшей мере у человека, можно найти в статистике тяжелоатлетических соревнований в разных весовых категориях. Все лучшие тяжелоатлеты стараются максимально увеличить вес, который они могут поднять, и тренируются для этого приблизительно с одинаковой интенсивностью и в течение одинакового времени, что позволяет сравнивать их силу в приблизительно одинаковых условиях. Кроме того, соревнования проводятся в трех дисциплинах – жим, рывок и толчок, – так что совокупные результаты по всем трем достаточно хорошо усредняют индивидуальные вариации склонности к той или иной из этих дисциплин. Поэтому такие суммарные результаты можно считать хорошей мерой максимальной силы.

Используя суммарные результаты по всем трем дисциплинам тяжелоатлетических соревнований на Олимпийских играх 1956 г., Лицке блестяще подтвердил, что сила масштабируется с массой тела по степенному закону с показателем, равным . Результаты всех обладателей золотых медалей были нанесены на график зависимости от веса их тела в логарифмическом масштабе, то есть по каждой оси были отложены приращения в десять раз. Если сила, отложенная по вертикальной оси, увеличивается на два порядка при каждом увеличении массы тела, отложенной по горизонтальной оси, на три порядка, то график должен представлять собой прямую, наклон[30] которой равен . Результат измерений Лицке был равен 0,675, что чрезвычайно близко к предсказанному значению ( = 0,667). Его график приведен на рис. 7[31].

Рис. 7

Зависимость суммарного веса, поднятого чемпионами Олимпийских игр 1956 г. по тяжелой атлетике, от массы их тела, подтверждающая предсказанный наклон в . Кто был сильнее, а кто слабее всех?

5. Индивидуальные результаты и отклонения от масштабирования: самый сильный человек на свете

Регулярность, проявляющаяся в данных по тяжелой атлетике, и их точное соответствие предсказанному правилу масштабирования силы могут показаться удивительными, особенно с учетом простоты доказательства этого правила. В конце концов, все мы различаемся формами и параметрами тела, жизненной историей и, до некоторой степени, наследственностью и так далее: ничто из этого не учитывалось в выводе коэффициента . Использование сумы весов, поднятых олимпийскими чемпионами, которые тренировались по приблизительно одинаковым программам, позволяет усреднить некоторые из этих индивидуальных различий. Вместе с тем можно считать с достаточно высокой степенью точности, что все мы состоим из приблизительно одних и тех же веществ и имеем весьма сходную физиологию. Наши организмы действуют очень сходным образом и, как видно из рис. 7, по крайней мере с точки зрения силы, являются масштабными версиями друг друга. Более того, к концу этой книги я надеюсь доказать вам, что это общее сходство распространяется почти на все аспекты вашей физиологии и истории развития. Так что, когда я говорю, что «мы» в некотором приближении являемся масштабированными версиями друг друга, я имею в виду не только всех людей, но и всех млекопитающих, а в некоторых отношениях и вообще все живое.

Если взглянуть на законы масштабирования с несколько другой точки зрения, можно сказать, что они дают некий идеализированный стандарт, охватывающий господствующие, наиболее существенные черты, которые объединяют всех нас – не только как людей, но и как различные виды организмов и проявлений жизни. Каждый индивидуум, каждый вид и даже каждая таксономическая группа в той или иной степени отклоняются от норм, проявляющихся в законах масштабирования, и именно эти отклонения отражают конкретные характеристики, образующие индивидуальность.

Проиллюстрируем это утверждение на том же примере тяжелой атлетики. Если внимательно посмотреть на график, приведенный на рис. 7, ясно видно, что четыре точки лежат почти точно на прямой, а это означает, что эти четыре тяжелоатлета могут поднять почти тот самый вес, который соответствует массе их тела. Однако оставшиеся две точки, представляющие тяжеловеса и спортсмена средней весовой категории, несколько отходят от прямой: одна из них лежит ниже, а другая – выше ее. Таким образом, хотя тяжеловес поднял больше, чем кто-либо другой, его результат на самом деле не дотягивает до уровня, соответствующего массе его тела, а спортсмен, выступающий в среднем весе, превзошел результат, нормальный для своей массы. Другими словами, с уравнительной точки зрения физика, рассматривающего эту ситуацию с позиций равных условий игры, самым сильным человеком в мире на 1956 г. был чемпион в среднем весе, поскольку его результат был выше нормального для его собственного веса. Забавно отметить, что в аспекте такого научного масштабирования самым слабым оказался чемпион в тяжелом весе, хотя он и поднял больше, чем все остальные.

6. Другие ошибочные выводы и недоразумения с масштабами: дозировка ЛСД для слонов и тайленола для младенцев

Размеры и масштабы играют ключевую роль в медицине и здравоохранении, хотя в биологических и медицинских профессиях идеи и теоретические обоснования законов масштабирования могут быть явно не выражены. Например, все мы хорошо знакомы с концепцией стандартных таблиц или графиков, показывающих, как рост, скорость роста, количество потребляемой пищи и даже объем талии должны коррелировать с массой нашего тела и как все эти параметры должны изменяться на ранних стадиях развития ребенка. Эти таблицы – не что иное, как представление законов масштабирования, которые были признаны применимыми к «среднему человеку». Врачи даже заучивают, как эти переменные в среднем должны коррелировать с весом и возрастом пациентов.

Также хорошо известна родственная концепция инвариантных величин, к которым относятся, например, частота пульса или температура тела – они не изменяются систематически в зависимости от веса или роста среднего здорового человека. Более того, значительные отклонения от этих неизменных средних значений обычно считают признаком заболевания или расстройства здоровья. Если температура тела превышает 38 °C, или кровяное давление равно 275/154, это значит, что-то не в порядке. В наше время стандартный медицинский осмотр дает множество подобных результатов, по которым врач оценивает состояние здоровья пациента. Одна из наиболее трудных задач для отрасли медицины и здравоохранения состоит в создании измеримой базовой шкалы жизни и, на ее основе, расширенного набора параметров среднего здорового человека, а также в определении допустимых размеров колебаний или отклонений от нормальных значений.

Поэтому неудивительно. что многие из наиболее важных проблем медицины можно рассмотреть с точки зрения масштабирования. В следующих главах мы затронем, используя эту систему взглядов, несколько важных вопросов, касающихся здоровья всех и каждого, от старения и смертности до сна и рака. Однако я хотел бы сначала, на закуску, рассмотреть некоторые не менее важные медицинские вопросы, имеющие отношение к идее Галилея о противоречиях между процессами масштабирования площади и объема. Этот пример покажет, как легко подсознательное использование линейных экстраполяций порождает заблуждения, приводящие к совершенно ошибочным выводам.

При разработке новых лекарств и изучении самых разных заболеваний значительную часть исследований проводят на так называемых модельных животных – как правило, на поколениях мышей, выведенных и отобранных по определенным признакам именно для исследовательских целей. То, как результаты таких исследований следует масштабировать для их применения к человеку, чрезвычайно важно в медицинских и фармакологических исследованиях, так как именно это позволяет определять безопасную и эффективную дозировку медикаментов или делать выводы относительно диагнозов и лечебных процедур. Всеобъемлющая теория такого масштабирования все еще не разработана, хотя фармацевтическая промышленность затрачивает огромные ресурсы на решение подобных задач при разработке новых лекарств.

Классическим примером некоторых проблем и ловушек, возникающих на этом пути, является одно из первых исследований потенциального терапевтического воздействия на человека ЛСД (диэтиламида лизергиновой кислоты). Хотя термин «психоделик» был придуман еще в 1957 г., этот наркотик оставался практически неизвестным за пределами профессионального сообщества психологов в 1962 г., когда психиатр Луи Уэст (не родственник), Честер Пирс из Университета Оклахомы и Уоррен Томас, зоолог из городского зоопарка Оклахома-Сити, предложили изучить его действие на слонах.

На слонах? Да, именно на слонах, а точнее, на слонах индийских. Хотя использование слонов, а не мышей в качестве «модели» для изучения эффектов ЛСД может показаться несколько эксцентричным, основания этой идеи нельзя назвать полностью неправдоподобными. Дело в том, что у индийских слонов время от времени случаются непредсказуемые переходы из обычного для них мирного и послушного состояния в состояние, в котором они становятся чрезвычайно агрессивны и даже опасны, и длительность таких периодов доходит до двух недель. Уэст и его соавторы предположили, что это странное и зачастую опасное поведение, которое называют словом «муст», вызывается тем, что в мозгу слона вырабатывается ЛСД. Поэтому они хотели проверить, может ли ЛСД вызвать это любопытное состояние, и, если это так, получить из изучения реакции на это вещество представление о воздействии ЛСД на человека. Идея довольно странная, но, быть может, не вполне лишенная смысла.

Однако из нее немедленно вытекает интересный вопрос: сколько именно ЛСД нужно дать слону?

В то время мало что знали о безопасной дозировке ЛСД. Хотя этот наркотик еще не проник в массовую культуру, уже было известно, что даже доза менее 0,25 мг вызывает у человека типичный «кислотный трип», а безопасная доза для кошек составляет около 0,1 мг на килограмм массы тела. Именно на основе этой последней цифры исследователи решили оценить, какую дозу ЛСД следует дать ничего не подозревавшему слону Таско, жившему в зверинце Линкольн-парка в Оклахома-Сити.

Поскольку Таско весил около 3000 кг, они оценили, используя размер заведомо безопасной дозы для кошек, что подходящая для него доза должна быть равна произведению 0,1 мг на килограмм на 3000 кг, то есть около 300 мг ЛСД. На деле слону вкололи 297 мг. Вспомним, что для нас с вами хорошая доза ЛСД составляет менее 0,25 мг. Результат инъекции, введенной Таско, был эффектным и катастрофическим. Вот что было написано в статье исследователей: «Через пять минут после инъекции он [слон] затрубил, упал, тяжело перевалился на правый бок, испражнился и вошел в эпилептический статус». Бедняга Таско умер через час и сорок минут после этого. Возможно, не менее тревожным, чем этот ужасный исход, был вывод, который сделали исследователи: они заключили, что слоны «обладают весьма высокой относительной чувствительностью к ЛСД».

Проблема тут, разумеется, сводится к тому, что мы уже подчеркивали несколько раз, – к соблазнительной ловушке линейного мышления. Расчет дозы, которую следовало ввести Таско, был основан на предположении о том, что эффективная и безопасная дозировка линейно масштабируется в зависимости от массы тела, то есть предполагалось, что удельная доза на килограмм массы тела должна быть одной и той же для всех млекопитающих. Поэтому дозу для кошек, 0,1 мг на килограмм массы тела, наивно умножили на массу Таско и получили то несуразное значение – 297 мг, – которое и привело к столь катастрофическим последствиям.

Вопрос о том, как именно следует производить масштабирование дозировки между разными животными, все еще остается открытым, и ответ на него может в разной степени зависеть от свойств конкретного медикамента и медицинских показаний для его применения. Однако независимо от всех этих подробностей для получения правдоподобной оценки необходимо понимать основополагающие механизмы, которые обеспечивают перенос медикамента и его поглощение конкретными органами и тканями. В числе других факторов важную роль в этом играет уровень метаболизма. Подобно метаболитам и кислороду медикаменты обычно переносятся через поверхностные мембраны; иногда такой перенос осуществляется посредством диффузии, а иногда – через сетевые системы. Поэтому факторы, определяющие дозировку, в существенной степени определяются масштабированием площади поверхности, а не суммарного объема или массы организма, а площадь поверхности масштабируется с изменением массы нелинейно. Простой расчет с использованием правила масштабирования поверхности при изменении массы с показателем показывает, что более подходящая для слонов доза ЛСД должна быть ближе к нескольким миллиграммам, чем к нескольким сотням, которые были введены слону. Если бы такие вычисления были произведены, Таско наверняка остался бы жив, а выводы о воздействии ЛСД были бы совершенно иными.

Вывод ясен: масштабирование дозировки лекарств – дело совсем не тривиальное, и наивный подход к ней может привести к нежелательным результатам и ошибочным выводам, если не рассчитывать дозировку корректно, с должным вниманием к основополагающим механизмам переноса и усвоения медикаментов. Этот вопрос, несомненно, чрезвычайно важен и в некоторых случаях даже может стать вопросом жизни и смерти. В этом заключается одна из основных причин, по которым выдача разрешения на широкое применение новых лекарств занимает столько времени.

Чтобы вы не подумали, что речь идет о каком-то никому не известном, маргинальном исследовании, отметим, что статья о слонах и ЛСД была опубликована в журнале Science[32], одном из самых уважаемых и престижных научных журналов мира.

С проблемой масштабирования дозировки лекарств в зависимости от массы тела хорошо знакомы многие из нас: с ними приходится сталкиваться родителям детей с повышенной температурой, простудами, отитами и другими подобными превратностями. Я помню то немалое удивление, с которым обнаружил много лет назад, когда пытался посреди ночи успокоить орущего младенца с высокой температурой, что рекомендованная для детей дозировка, напечатанная на этикетке бутылочки тайленола, увеличивалась с массой тела линейно. Поскольку мне уже была известна трагическая история слона Таско, я был несколько обеспокоен этим. На этикетке был приведен маленький график, показывавший, сколько лекарства следует давать ребенку того или иного возраста и веса. Например, для младенца весом 3 кг рекомендованная дозировка составляла четверть чайной ложки (40 мг), а для ребенка весом 18 кг (в шесть раз тяжелее) – полторы чайной ложки (240 мг), то есть ровно в шесть раз больше. Однако если следовать нелинейному закону масштабирования с показателем , то дозировка должна увеличиться всего лишь в 62/3  3,3 раза, что соответствует 132 мг, то есть чуть больше половины рекомендованной дозы! Таким образом, если правильная доза для трехкилограммового младенца действительно равна ложки, то доза 1,5 ложки, рекомендованная для ребенка, весящего 18 кг, была завышена почти в два раза.

Хочется надеяться, что эти рекомендации не были опасны для детей, но несколько лет спустя я заметил, что этот график исчез и с этикеток, и с веб-сайта фармацевтической компании. Однако на том же сайте до сих пор имеется график, представляющий линейную шкалу рекомендованной дозировки для детей весом от 18 до 36 кг, хотя для младенцев весом менее 18 кг (младше двух лет) там теперь разумно рекомендуют посоветоваться с врачом. Тем не менее другие авторитетные сайты до сих пор используют при определении дозировок для детей младше этого возраста линейное масштабирование[33].

7. ИМТ, Кетле, средний человек и социальная физика

Еще один важный медицинский вопрос, связанный с масштабированием, – это использование индекса массы тела (ИМТ) в качестве меры содержания жира в организме и, в более широком смысле, важного параметра здоровья. В последние годы этот показатель получил широкую популярность в связи с его повсеместным использованием в диагностике ожирения и многочисленных связанных с ним нарушений здоровья, в том числе гипертонии, диабета и кардиологических заболеваний. Хотя бельгийский математик Адольф Кетле ввел ИМТ более 150 лет назад в качестве простого параметра классификации людей, ведущих малоподвижный образ жизни, этот показатель приобрел большой авторитет как у врачей, так и у широкой общественности, несмотря на свои довольно туманные теоретические обоснования.

Собственно говоря, до 1970-х гг. и роста популярности ИМТ он был известен под названием индекса Кетле. Хотя Кетле получил математическое образование, он был классическим энциклопедистом, ученым-универсалом, и внес свой вклад в множество разных научных дисциплин, в том числе в метеорологию, астрономию, математику, статистику, демографию, социологию и криминалистику. Его главным наследием оказался ИМТ, но он был лишь очень малой частью его вдохновенных трудов по внедрению статистического анализа и математического мышления в решение задач, представляющих общественный интерес.

Кетле стремился понять статистические законы, лежащие в основе таких социальных явлений, как уровни преступности, браков и самоубийств, и изучить взаимосвязи между ними. Наиболее влиятельная из его книг, «О человеке и развитии его способностей, или Опыт социальной физики» (Sur l’homme et le dveloppement de ses facults, ou essai de Physique sociale), была издана в 1835 г. В английском переводе это заглавие было сокращено до гораздо менее высокопарного «Трактат о человеке» (Treatise on Man). В этой книге он ввел понятие социальной физики и описал свою концепцию «среднего человека» (l’homme moyen). Эта концепция хорошо вписывается в наш разговор о рассуждениях Галилея относительно изменения силы мифического «среднего человека» в зависимости от его веса или роста, а также о существовании осмысленных средних основных значений физиологических характеристик, например температуры тела или кровяного давления.

«Средний человек» (любого пола) имеет усредненные по достаточно большой группе населения значения различных измеримых физиологических и социологических параметров. Сюда входит все, от роста и продолжительности жизни до числа браков, уровня потребления алкоголя и заболеваемости. Однако Кетле привнес в анализ такого рода нечто новое и существенное: учет статистических колебаний этих величин вокруг средних значений и оценку соответствующих им распределений вероятности. Он установил – или, в некоторых случаях, просто прдположил, – что такие колебания в основном соответствуют так называемому нормальному, или Гауссову, распределению, широко известному своей колоколообразной формой. Таким образом, он не только измерял средние значения этих величин, но и анализировал распределения их отклонений от среднего. Например, здоровое состояние человека определяется в таком исследовании не просто по наличию конкретных значений этих параметров (например, температуре тела, равной 36,6 °C), но и по их нахождению в пределах четко ограниченного диапазона, определенного по отклонениям от среднего значения, характерным для здоровых людей в масштабах всего населения.

Идеи Кетле и используемый им термин «социальная физика» казались в то время довольно спорными, поскольку их восприняли как попытку загнать социальные явления в детерминистические рамки, что противоречило бы концепциям свободы воли и свободы выбора. Задним числом это кажется удивительным, учитывая одержимость Кетле статистическими вариациями, которые мы могли бы считать теперь численной мерой той самой «свободы выбора», которая позволяет нам отклоняться от нормы. Мы еще неоднократно вернемся к теме противоречия между ролью основополагающих «законов», ограничивающих структуру и развитие систем, как социальных, так и биологических, и возможностями их «нарушения». Насколько мы свободны в определении своей собственной судьбы, коллективной или индивидуальной? Хотя на детализированном уровне, «в режиме высокого разрешения», мы и обладаем большой свободой определения событий своего ближайшего будущего, на уровне более общем и менее подробном, на котором речь идет о длительных промежутках времени, жизнь может оказаться более детерминированной, чем нам представляется.

Хотя название «социальная физика» практически исчезло из научного обихода, в последнее время к нему стали возвращаться ученые разных специализаций, взявшиеся за рассмотрение проблем общественных наук с более математической, аналитической точки зрения, обычно характерной для системы парадигм традиционной физики. Значительную часть той работы, которой занимались мы с моими коллегами и которая будет описана несколько более подробно в дальнейших главах, можно отнести именно к области социальной физики, хотя никто из нас широко не использует этот термин. По иронии судьбы его в первую очередь используют специалисты по информатике, которые не имеют отношения ни к социологии, ни к физике: они описывают им большие массивы данных по социальным взаимодействиям. Вот как они характеризуют это понятие: «Социальная физика – это новый способ понимания поведения человека, основанный на анализе “больших данных”»[34]. Хотя эта область исследований весьма интересна, наверное, можно сказать, что лишь немногие физики посчитали бы ее относящейся к «физике», прежде всего потому, что эти исследования не направлены на выявление основополагающих принципов и общих законов, не сосредоточиваются на математическом анализе и получении механистических объяснений.

Предложенный Кетле индекс массы тела определяют как отношение массы тела к квадрату роста. Таким образом, он измеряется в фунтах на квадратный дюйм или килограммах на квадратный метр. Его идея сводится к предположению о том, что вес здорового человека, особенно такого, форма тела и содержание жиров в теле которого соответствуют «норме», масштабируется пропорционально квадрату роста. Тогда отношение веса к квадрату роста должно давать величину, приблизительно одинаковую для всех здоровых людей; ее значения лежат в сравнительно узком диапазоне (от 18,5 до 25,0 кг/м). Выход значений за пределы этого диапазона считается признаком возможных проблем со здоровьем, связанных с недостаточным или избыточным для данного роста весом[35].

Таким образом, предполагается, что ИМТ остается приблизительно неизменным для всех идеализированных здоровых индивидуумов, то есть имеет более или менее одинаковое значение независимо от веса и роста человека. Однако из этого следует, что масса тела должна увеличиваться пропорционально квадрату роста, что, как кажется, резко противоречит тем выводам, которые мы сделали ранее из работ Галилея: тогда мы заключили, что масса тела должна возрастать гораздо быстрее, пропорционально кубу роста. Если это так, то ИМТ в используемой формулировке не может быть неизменной величиной, а должен линейно расти с увеличением роста. Это должно приводить к завышению числа диагнозов избыточного веса у высоких людей и его занижению у людей низкорослых. Действительно, существуют свидетельства того, что высокие люди имеют аномально высокие по сравнению с реальным содержанием жира в организме значения ИМТ.

Как же на самом деле масштабируется вес человека в зависимости от его роста? Разные статистические анализы данных дают разные результаты, колеблющиеся от подтверждения кубического закона до полученных в более недавних исследованиях показателей, равных 2,7 и даже меньшим значениям, более близким к двум[36]. Чтобы понять, как такое может быть, нужно вспомнить об одном важном допущении, сделанном при выводе кубического закона, а именно о том, что при увеличении размеров форма системы – в данном случае человеческого тела – должна оставаться неизменной. Однако форма тела изменяется с возрастом, проходя весь путь от предельного случая, новорожденного с большой головой и пухлыми конечностями, до «хорошо сложенного» взрослого, а затем и до обвислого тела человека моего возраста. Кроме того, форма тела зависит еще и от пола, культуры и других социально-экономических факторов, которые могут коррелировать или не коррелировать с состоянием здоровья и наличием или отсутствием избыточного веса.

Много лет назад я анализировал набор данных по зависимости роста мужчин и женщин от их веса и обнаружил превосходное соответствие классическому кубическому закону. По счастливой случайности те данные, которые я анализировал, относились к сравнительно узким возрастным группам – американцам в возрасте от пятидесяти до пятидесяти девяти лет и американкам в возрасте от сорока до сорока девяти. Поскольку данные для каждого пола анализировались по отдельности и в пределах довольно узких и однородных возрастных групп, эти выборки давали осмысленное представление «средних» здоровых мужчин и женщин, обладающих сходными характеристиками. Как это ни парадоксально, такое вовсе не типично для гораздо более серьезных и широкомасштабных исследований, в которых усреднение производится по всем возрастным группам с разными характеристиками, что делает интерпретацию результатов значительно менее ясной. Поэтому неудивительно, что в таких исследователях получают степенные показатели, отличные от идеализированного значения, равного трем. Из этого следует, что было бы разумнее разбивать суммарный набор данных на группы, члены которых обладают некоторыми сходными характеристиками – например, возрастными, – и определять параметры для полученных таким образом подгрупп.

В отличие от кубического закона масштабирования общепринятое определение ИМТ не имеет никакого теоретического или концептуального обоснования, и статистическое значение этого показателя сомнительно. Кубический закон, напротив, теоретически обоснован и подтверждается опытными данными – при условии контроля характеристик рассматриваемого контингента. Поэтому неудивительно, что было предложено альтернативное определение ИМТ, согласно которому ИМТ вычисляется как отношение массы тела к кубу роста. Этот показатель известен под названием индекса Рорера. Хотя он несколько более значим с точки зрения корреляции с содержанием жира в организме, чем индекс Кетле, он тем не менее обладает теми же недостатками, так как не был преобразован для отдельных групп людей, имеющих сходные характеристики.

Разумеется, хорошие врачи используют для оценки здоровья несколько разных значений ИМТ, что уменьшает вероятность грубых ошибок интерпретации, кроме, вероятно, случаев, касающихся людей, ИМТ которых близок к граничным значениям. Во всяком случае, ясно, что классический ИМТ, используемый в настоящее время не следует воспринимать слишком серьезно без дальнейших исследований и определения более точных и конкретных показателей, учитывающих, например, возраст и культурные различия, особенно для пациентов, здоровье которых, по-видимому, может находиться в опасности.

Этими примерами я хотел проиллюстрировать тот факт, что концепция масштабирования лежит в основе применения жизненно важных параметров, используемых в здравоохранении, и выявить некоторые из возможных ловушек и ошибочных толкований. ИМТ, как и дозировка медикаментов, представляет собой сложный и очень важный элемент медицинской практики, теоретические основания которого до сих пор полностью не разработаны и не осознаны[37].

8. Инновации и ограничения роста

Обманчиво простое рассуждение Галилея о причинах существования пределов высоты деревьев, животных и строений имеет глубокие последствия для проектирования и инноваций. Выше, разъясняя его доказательство, я закончил следующим замечанием: «Произвольное увеличение размеров конструкции, какой бы она ни была, рано или поздно приведет к ее обрушению под собственным весом. Размер и рост имеют пределы». К этому следовало бы добавить одну чрезвычайно важную оговорку: «…если ничто не изменяется». Для продолжения роста и предотвращения обрушения должны произойти изменения и, следовательно, инновации. Основными движущими силами инноваций являются рост и постоянная потребность в адаптации к новым или изменяющимся условиям, часто выражающаяся в виде «усовершенствования» или увеличения эффективности.

Подобно большинству физиков Галилей не интересовался процессами адаптации. Чтобы узнать, насколько важную роль играют эти процессы в формировании окружающего нас мира, нам пришлось дожидаться Дарвина. Вообще говоря, адаптивные процессы в первую очередь относятся к областям биологии, экономики и общественных наук. Однако Галилей, рассматривая примеры, взятые из механики, ввел фундаментальную концепцию масштаба, из которой вытекает идея роста, и обе эти концепции играют основополагающую роль в сложных адаптивных системах. Противоречие между законами масштабирования, ограничивающими разные свойства системы, – например, тот факт, что прочность конструкций, поддерживающих систему, масштабируется иначе, чем тот вес, который они поддерживают, – приводит к невозможности бесконечного роста, то есть неограниченного увеличения размеров.