В.А. Шупер
Институт географии РАН

Переживая очень трудный для развития науки период, мы не должны забывать, что сохраняя критический потенциал науки, ее способность к самообновлению через научные революции, мы выполняем не только научный, но и гражданский долг, защищая открытое общество там, где оно наиболее уязвимо. Сознание этой миссии, о которой мы не просили, но которая возложена на нас исторической судьбой, может помочь нам не дать угаснуть огню глубоких теоретических поисков

Синергетическую революцию, по-видимому, можно считать последней научной революцией ХХ в. Она берет истоки в работах И.Пригожина, выполненных в 1967-68гг. [28-30], хотя сам термин синергетика был введен в 1973г. Г.Хакеном [45]. Необходимо отметить, что в нашей стране примерно в то же время в Институте прикладной математики АН СССР исследования диссипативных систем (последние характеризуются открытостью, неравновесностью и нелинейностью) [37,38,41] сформировались в мощное научное направление. Этим направлением был получен целый ряд важных научных результатов, в том числе сделано открытие т.н. эффекта Т-слоя, занесенное в Государственный реестр открытий под №55 с приоритетом от ноября 1965 г. [32]. К сожалению, закрытость ИПМ им. М.В.Келдыша АН СССР для посещения иностранными учеными до конца 80-х гг. привела к тому, что результаты отечественных исследований не получили ни должной известности, ни должного признания в мире.

В Институте географии РАН уже с 1987г. ведется плодотворное сотрудничество с ИПМ им. М.В.Келдыша РАН, который остается признанным центром выдвижения новых идей и разработки новых подходов в области синергетики. Важные результаты в этом направлении были получены А.Д.Армандом [3,4], развившим представления о триггерных системах в географии. Это представления о системах, обладающих свойством переключать развитие процесса с одной траектории на другую, причем с относительно небольшими затратами энергии, реализуют на географическом материале синергетические теоретические конструкции, предполагающие возможность случайного выбора одной из нескольких допустимых траекторий в т.н. точках бифуркации. Указанным автором были также получены важные результаты, относящиеся к закономерностям возникновения качественно новых свойств в природно-географических системах [2]. Необходимо особо остановиться на разработке А.Д.Армандом представлений о структурном изоморфизме эволюционных процессов в живой природе и в развитии цивилизации [1]. Кроме исключительного мировоззренческого значения, эти разработки имеют и важное эмпирическое – они позволяют использовать модели возникновения и распространения различных инноваций для описания эволюции биологических видов.

Другим примером плодотворного применения теоретических конструкций и математического аппарата синергетики в природно-географических исследованиях стали работы Ю.Г.Пузаченко [31], в котроых реализовано представление о неустойчивости системы как источнике возникновения у нее новых свойств. В частности показано, что неустойчивость растительного покрова в Европейской России, обусловленная его неполным соответствием климатическим условиям, безусловно, станет причиной вытеснения лиственных пород хвойными, которые продвинутся в этот регион из-за Урала. По мнению этого исследователя, столь же неустойчива и речная сеть Европейской части России, что неизбежно приведет к существенным и быстрым (в геологическом времени) ее изменениям (выступление на семинаре).

Идеи синергетики нашли плодотворное воплощение и в социально-географических исследованиях. Важные результаты были получены Ю.Г.Липецем и возглавляемой им лабораторией мирового развития ИГ РАН. Традиционное для географии внимание к пространственному фактору получило новое воплощение в представлении о пространстве как об источнике развития [23]. Данный подход, предполагающий не анализ факторов развития, а анализ свойств социально-географического пространства с точки зрения их большей или меньшей благоприятности для развития, имеет явные преимущества в тех случаях, когда число факторов исключительно велико, если не бесконечно, а точная их оценка крайне затруднительна. Подобные взгляды все шире распространяются и в экономической науке, причем один из наиболее заметных их приверженцев — Дж.Сорос. «Недавно в науке начало развиваться новое направление, — пишет Сорос – называемое теорией сложности, теорией эволюции систем, или теорией хаоса. Для понимания исторического процесса этот подход намного полезнее, чем традиционный аналитический. К сожалению, глядя на мир, мы в большей степени руководствуемся аналитическим научным подходом, чем следовало бы для нашей же пользы. Экономика стремится быть аналитической наукой. Но все исторические процессы, включая динамику фондовых рынков, являются комплексными и не могут быть поняты на основе аналитического научного подхода [42, c.93]».

Следует отметить, что подобный подход имеет достаточно глубокие традиции в науке и возник еще в XYII в. В его основе лежит исследовательская программа, вдохновленная картезианской философией и предполагающая взгляд на пространство как на атрибут протекающих процессов, а не нечто первичное по отношению к ним (знаменитые вихри Декарта). Именно на этой основе пытался построить физическое знание Р.Гук, однако преуспел существенно меньше, чем его великий соперник И.Ньютон, который опирался на эмпиризм Ф.Бэкона и создал небесную механику на основе принципа дальнодействия, т.е. мгновенного распространения гравитационных взаимодействий между телами в пустом пространстве. Картезианский рационализм восстановил свои позиции в физике только в ХХ в. благодаря созданию общей теории относительности А.Эйнштейном и к началу следующего столетия даже укрепил их в результате бурного развития исследований в области космологии. Между тем применение картезианского подхода в географии может стать едва ли не менее плодотворным, нежели в физике благодаря самой пространственной сущности нашей науки [46,47].

Может возникнуть впечатление, что картезианский подход не только не совместим с синергетическим, но даже противоположен ему. Действительно, теоретические конструкции синергетики, как может показаться на первый взгляд, предназначены для описания дискретных объектов, ибо система, в т.ч. и неравновесная, традиционно понимается как совокупность взаимодействующих элементов. Между тем интуитивно осознается и то, что главное в любой системе – это ее структура, а последняя с конца 60-х гг. понимается благодаря работам Н.Ф.Овчинникова как инвариантный аспект системы [26,27]. Один из главных аспектов этой инвариантности – инвариантность относительно различных методов выделения элементов системы. Чего стоят географические закономерности, принципы, уравнения и т.п., если все они «летят» при выборе другой сетки районирования? Разумеется, мы не можем познавать мир, не дискретизируя его, не выделяя в нем определенные элементы. Однако нам не следует забывать, что это, по удачному выражению В.В.Налимова, — насилие нашего дискретного языка над континуальной реальностью [25]. Едва ли будет менее плодотворным представлять систему не как совокупность взаимодействующих объектов, а как совокупность взаимодействующих свойств, прежде всего пространственных.

Зерна дают всходы, лишь попадая на благодатную почву. В силу определенных причин «географическая почва» оказалась весьма благоприятной для идей синергетики. Эти причины коренятся в особенностях исторического развития географии, а именно в т.н. количественной и теоретической революциях, которые существенно изменили облик нашей науки в 60-е и 70-е годы. Напомним, что одной из ключевых идей вышедшей в 1962г. книги В.Бунге «Теоретическая география» (русский перевод опубликован в 1967г. [7]), была именно идея структурного изоморфизма, понимаемого как тождество способов пространственной организации географических явлений самой различной природы, изучаемых как физической географией, так и социально-экономической. Бунге смело заимствовал идеи из геоморфологии и прилагал их к описанию социально-географических явлений. Стало хрестоматийным сравнение меандрирования реки и изменение трассы федерального шоссе, так же вынужденного преодолевать «прирусловые валы» высоких цен на землю. Важный вклад в теоретическое осмысление процессов пространственной дифференциации, в создание каталога пространственных структур был внесен работами Б.Б.Родомана [33]. Между тем и у творцов теоретической революции в географии были выдающиеся предшественники, причем не только хорошо им известные — В.Кристаллер [50], А.Лёш [22], Дж.К.Зипф [52,53], но и оставшиеся им совершенно неизвестными — Л.Лаланн [20,21] и В.П.Семенов-Тян-Шанский [39,40]. Первый из этих двух предвосхитил в 1863г. некоторые положения теории центральных мест, а также сформулировал закономерности саморазвития транспортных сетей, на столетие опередив исследования в этой области. Второй еще в начале века фактически разработал каталог форм устойчивой территориальной организации государств, однако, эти результаты не получили резонанса в научном сообществе.

Философские и методологические искания резко усиливаются в любой науке, когда она входит в период сомнений в эффективности своего исследовательского инструментария и правильности постановки самих фундаментальных задач, подлежащих решению соединенными усилиями научного сообщества. Один из важнейших мировоззренческих результатов теоретической революции в географии – возникновение сомнений в каузальности (причинности) как единственном возможном принципе научного объяснения. Разумеется, столь глубокая проблема не может касаться одной географии, она касается всего научного мировоззрения. До географии на определенном этапе докатились толчки, вызванные глубочайшими тектоническими сдвигами в научной картине мира после создания квантовой механики в 20-е годы. При этом крах причинного объяснения при описании явлений микромира существенно поколебал позиции каузального объяснения и в теории эволюции, хотя биология изучает объекты, в подавляющем своем большинстве доступные чувственному восприятию. В последней трети ХХ в. уже в космологии был сформулирован и получил широкое признание антропный принцип, предполагающий, что возникновение человека и человечества было изначально целью эволюции Вселенной [10]. Не философские спекуляции или теологические доводы, а строгие методы современного естествознания привели к выводу о том, что вероятность случайного возникновения сначала жизни, а затем – и сознания пренебрежимо мала и едва ли подобная гипотеза может на нынешнем этапе развития естественных и точных наук служить средством научного объяснения.

Исключительно высокий интеллектуальный уровень исследовательской работы в области теории эволюции в период между двумя войнами привел к появлению ряда весьма значительных исследований, ставивших под сомнение роль естественного отбора как творческого фактора. Напротив, с точки зрения биологов-недарвинистов, он играет скорее консервативную роль, устраняя уклонения от нормы, а не способствуя их возникновению. Причина в том, что любые приобретения эволюции начинают приносить пользу далеко не сразу, а лишь после того как достигнут достаточно высокого уровня развития. До этого они могут быть лишь вредны для своих владельцев. Здесь нам опять полезно воспользоваться представлениями о структурном изоморфизме эволюционных процессов в живой природе и в развитии цивилизации. Едва ли первые пароходы развивали более высокую скорость, чем фрегат «Ласточка», рассчитанный Лапласом, едва ли первые автомобили ездили лучше, чем пароконная упряжь. Закономерно, что выдающийся биолог и географ Л.С.Берг выдвинул гипотезу о том, что творческим фактором эволюции является не естественный отбор, а номогенез, т.е. проявление определенных закономерностей [6]. Эти взгляды получили дальнейшее развитие в работах А.Г.Гурвича [11,12], обогатившего биологию представлениями о потенциальной форме, и А.А.Любищева [24]. Последним были наиболее полно развиты представления о детерминации эволюционных процессов некой конечной целью, финальной симметрией, по сути – стремлением к реализации максимального числа форм из некоторого неизвестного нам еще каталога, каковой можно отдаленно себе представить по аналогии с группами Шёнфлиса-Федорова.

Значение для географии теоретических конструкций типа потенциальной формы, определяющей направление развития отдельных организмов и эволюции биологических видов, или финальной симметрии весьма велико и оно не осталось незамеченным. Аналогия с каталогом форм устойчивой территориальной организации государств, который фактически был разработан В.П.Семеновым-Тян-Шанским, причем раньше, чем Л.С.Берг опубликовал свой знаменитый труд о номогенезе, столь очевидна, что не требует дополнительной аргументации. Остановиться следует на менее очевидных идеях. Это прежде всего представления о конфинальности ( эквифинальности) в развитии городов-гигантов, выдвинутые П.Хаггетом еще в 60-е годы [44]. Города этого класса обнаруживают несравненно большее сходство между собой, нежели малые города, из которых они выросли. Те же самые тенденции прослеживаются и в развитии систем городов. Системы центральных мест (город понимается как центральное место потому, что обслуживает не только свое население, но и население своей зоны, тем большей, чем выше уровень иерархии, к которому он принадлежит) также стремятся в своем развитии к определенному равновесному состоянию, т.н. изостатическому равновесию, которое выступает по отношению к ним в качестве аттрактора – области притяжения процесса [48].

Использование представления об аттракторе, одного из ключевых понятий в синергетике, дало новый импульс теоретическим поискам в географии в рамках финалистской парадигмы. Системы городского расселения – это объекты изучения именно того типа, который преподносит исследователям целый букет явлений, не поддающихся сколько-нибудь успешному описанию и объяснению в рамках каузального анализа. Разумеется, и в рамках каузальной парадигмы были получены важные результаты, относящиеся к развитию систем расселения, однако они относились по преимуществу к их индивидуальным свойствам. Общие же закономерности развития, а именно закономерности формирования целостных систем расселения, характеризующихся соответствием правилу «ранг-размер» (оно же правило Зипфа или Ципфа, оно же закон Ауэрбаха), и в дальнейшем постепенное формирование в этих системах иерархической структуры, приводящее к ухудшению соответствия правилу «ранг-размер» и улучшению соответствия предсказаниям теории центральных мест (системы центральных мест переходят при этом из квазиаморфного состояния в квазикристаллическое [48]), не поддаются объяснению в рамках каузальной парадигмы.

Применение представлений об аттракторе при изучении систем центральных мест позволило пойти еще дальше и, образно говоря, заглянуть за горизонт, поставив вопрос о возможных путях развития систем центральных мест после достижения аттрактора. При этом было установлено, что системы либо переходят в колебательный режим, либо их развитие устремляется к новому аттрактору [8,9], поскольку системы эти – открытые и в них происходят постоянные изменения. Другим важным результатом этого исследования стало установление взаимосвязи между эволюцией систем расселения, описываемых сразу в двух аспектах – как эволюционные изменения структуры центральных мест и как смена стадий урбанизации Джиббса [19], и эволюцией транспортных сетей. Здесь необходимы определенные пояснения. Стадии урбанизации Джиббса отражают зрелость систем расселения с помощью таких параметров как соотношение темпов роста населения городов, пригородов и сельской местности. Эти параметры вполне можно считать независимыми от структуры центральных мест соответствующей страны или региона, а потому хорошее совпадение во времени глубоких изменений иерархического строения систем центральных мест (появление нового уровня иерархии) и перехода системы расселения на новую стадию эволюции, по Джиббсу, само по себе можно считать весьма важным для географического мировоззрения результатом.

Однако это значение становится еще большим благодаря совпадению во времени смены стадий в эволюции расселения, описываемой в упомянутых двух аспектах, со сменой стадий в эволюции топологического строения транспортных сетей. Еще в конце 70-х – начале 80-х годов исследованиями С.А.Тархова было убедительно показано, что транспортные сети обладают способностью к саморазвитию, причем закономерности их пространственного строения и его эволюции носят универсальный характер и не зависят ни от размеров охватываемой территории (город, регион, страна), ни от характера самих сетей (железнодорожная сеть страны, сеть троллейбусных маршрутов города и т.д.). Внешние условия могут ускорить или замедлить развитие транспортной сети, но не могут повлиять на последовательность смены событий [43]. С.А.Тархов явно исходил из представлений о потенциальной форме – наиболее развитой топологической структуре транспортной сети, которая и является областью притяжения ее эволюции, хотя и не формулировал это представление эксплицитно. Именно подобные представления, отнюдь не импортированные из других наук, а порожденные самой логикой развития географии, создали весьма благоприятную почву для проникновения в нашу науку теоретических представлений синергетики, а вслед за ними – исключительно эффективного математического аппарата.

Одним из наиболее успешных случаев применения математического аппарата нелинейной динамики к географическим задачам следует считать работы С.П.Капицы [16]. Широко известны результаты, полученные в рамках разработанной им феноменологической модели роста населения Земли. Пожалуй, наиболее важный в мировоззренческом отношении результат состоит в том, что рост населения Земли никогда не ограничивался внешними факторами, т.е. условиями или ресурсами – его темпы всегда определяли внутренние закономерности процесса. «Это обстоятельство позволяет сформулировать принцип демографического императива, в отличие от популяционного принципа Мальтуса, утверждавшего, что именно ресурсы определяют скорость роста населения и его предел. Математическим образом принципа демографического императива служит принцип подчинения в синергетике [16, с.157]». Именно указанные закономерности, выраженные на языке нелинейной динамики (т.н. режим с обострением), служат основой для прогноза стабилизации населения Земли к концу ХХI в. на уровне 12 млрд. чел., причем 90% этой численности (10,7 млрд.) следует ожидать к середине ХХI в.

Значительно менее известны результаты С,П.Капицы, относящиеся к организации глобальной системы городского расселения [16]. Между тем именно эти результаты представляют особый интерес для географии. Главный вывод данных исследований состоит в том, что совокупность городов Земного шара подчиняется и всегда подчинялась правилу «ранг-размер». При этом следует отметить одну техническую тонкость подобных исследований: фактически форму распределения определяют первые два-три десятка городов. На графике с осями в логарифмическом масштабе более мелкие города в любом случае почти что сливаются в одну точку. Поэтому подлежащий обработке массив данных может быть не столь уж велик при вполне удовлетворительной точности результатов. Это обстоятельство позволило использовать исторические данные о численности населения наиболее крупных городов мира периодов средневековья и античности.

Трудно переоценить значение указанных результатов для географии, где подобные вычисления, несмотря на их простоту и доступность данных, никогда не проводились по причине их глубокого противоречия географическому мировоззрению. Действительно, с точки зрения любого мало-мальски квалифицированного географа, имеет смысл проверять на соответствие правилу «ранг-размер» только систему городов, обладающую ярко выраженной целостностью, т.е. принадлежащую какой-то стране или исторически сложившемуся региону. Такой взгляд восходит не то что к Дж.К.Зипфу, а к самому Феликсу Ауэрбаху, впервые выявившему указанную закономерность в 1913г. [49]. Соответственно, только сейчас, с распространением концепции «глобального города» [18] появляются теоретические предпосылки для подобных расчетов в мировом масштабе. Эти расчеты и их результаты, какими бы они не оказались, заведомо лишены смысла с точки зрения господствующего в географии мировоззрения, если они относятся к периодам, предшествовавшим формированию единой мирохозяйственной системы, будь то XYIII в. или, тем более, доколумбова эпоха.

Между тем подход физика-теоретика к трактовке взаимодействий оказался существенно иным, нежели у географов (причем не только иным, но, главное, более плодотворным) именно в силу значительно более абстрактного характера той науки, которая сыграла решающую роль в формировании научного мировоззрения этого исследователя. Исследовательские традиции физики вовсе не требуют обязательно рассматривать взаимодействия как нечто материальное. Они восходят еще к научной революции, произведенной И.Ньютоном. Последний писал известному философу и богослову Р.Бентли, что, разумеется, тело не может действовать там, где его нет, но все в небесной механике происходит именно так, как будто это имеет место. Ньютон возложил ответственность за дальнодействие на Бога, он трактовал пространство как «чувствилище божье», Лаплас уже не нуждался в этой гипотезе. Не нуждались в ней и биологи-недарвинисты, считавшие, что потенциальная форма определяет развитие организмов и эволюцию видов. Парадоксально, но картезианская исследовательская программа весьма многим обязана Ньютону, который был ее убежденным противником.

Принципиально новая трактовка взаимодействий позволяет предположить, что даже до Колумба в мире существовали взаимодействия между народами и городами в глобальном масштабе, но характерное время этих взаимодействий было бесконечно велико. В конце концов, человек расселился по всему миру из одного центра. Однако это последнее утверждение носит чисто иллюстративный характер и для наших целей сугубо факультативно. Главный для нас урок из исследовательской ситуации, в которой очень важный в мировоззренческом отношении географический результат был получен физиком-теоретиком, именно в том, что прогресс нашей науки требует более смелого применения теоретических конструкций, не опирающихся на наш повседневный опыт, или даже противоречащих ему.