 |
Линейное мышление в нелинейном мире
|
|
|
|
Линейное мышление в нелинейном мире
Линейные зависимости понять нетрудно: чем больше, тем пропорционально лучше. Линейные уравнения решаются просто, ими полны все учебники. Линейные зависимости подобны кирпичикам — их можно разобрать, а потом снова сложить вместе, и все кусочки подойдут друг к другу.
А вот нелинейные системы в лоб решить невозможно, такие зависимости складывать нельзя... Нелинейность означает, что по ходу игры правила могут меняться... Эта переменчивость делает расчеты нелинейных систем очень сложной задачей, но зато в них наблюдается такое разнообразие вариантов поведения, которое даже и не снилось линейным системам.
Джеймс Глеик*, специалист по фрактальной геометрии, автор книги «Хаос: создание новой науки»
Часто нам не хватает знаний даже для того, чтобы понять характер взаимосвязей. Линейная зависимость между двумя элементами системы отображается на графиках
James Gleick. Chaos: Making a New Science. New York: Viking, 1987. 23—24. (Книга издавалась на русском языке: ГлейкДж. Хаос. Создание новой науки. СПб.: Издательство «Амфора», 2001. 398 с. )
прямой линией. Ее коэффициенты постоянны. Если использовать на огороде 10 кг удобрения, урожай увеличится на 100 кг, если использовать 20 кг — на 200 кг, если 30 кг — на 300 кг.
При нелинейной зависимости результат нельзя рассчитывать пропорционально вложениям. Зависимость между причиной и следствием отображается на графиках не прямыми, а самыми разными кривыми и волнистыми линиями. Если использовать на огороде 100 кг удобрений, то урожай вырастет на 500 кг (а не на тысячу, как можно было бы ожидать). Если увеличить количество удобрений до 200 кг, урожай не изменится вообще, а если применить 300 кг, даже уменьшится. Почему? Потому что почва будет отравлена такой массой удобрений — это как раз тот случай, когда «слишком хорошо тоже плохо».
|
|
|
В мире очень много нелинейных зависимостей.
Наше привычное мышление линейно, поэтому мы наталкиваемся на столько неожиданностей. Раз мы привыкли, что при малом воздействии будет малый результат, то при воздействии вдвое больше ожидаем и ответа в два раза сильнее. Но в нелинейной системе удвоенное воздействие может привести к результату вшестеро меньше, к отсутствию результата, а может и к результату в квадрате.
Вот несколько характерных примеров нелинейности:
& #9632; Когда поток машин на автомагистрали постепеннс увеличивается, до определенного момента это практи чески не влияет на скорость машин. Однако затек даже небольшого увеличения плотности потока достаточно для того, чтобы скорость упала очень сильно, Когда же количество машин доходит до определенной критической точки, образуется пробка и движение прекращается вовсе.
* Эрозия почвы может долгое время почти не сказываться на величине урожая, но только до тех пор, пока толщина почвенного слоя не станет равной длине корней злаков. После этого любое, даже самое незначительное увеличение эрозии приводит к резкому падению урожайности.
* Небольшая рекламная кампания (особенно если рекламные ролики сделаны со вкусом) способна привлечь интерес потребителей к продукту. Но когда реклама назойлива и криклива, она начинает отталкивать покупателей, и продукт вызывает отвращение.
Неудивительно, что нелинейности производят неожиданный эффект. Еще бы, ведь они ломают привычный стереотип: применишь немного полезного средства — получишь небольшой положительный эффект, применишь больше — и результат будет больше. Такой же стереотип действует и в отношении вредных веществ: примешь немного, вред будет небольшой; примешь больше — и вред будет пропорционально больше. Казалось бы, логичные ожидания, но в нелинейном мире они всегда приводят к ошибкам.
|
|
|
Нелинейности важны не только потому, что такие связи между действием и откликом не соответствуют нашим ожиданиям. Они важны в первую очередь из-за того, что изменяют относительную мощность циклов обратной связи. Они могут заставить систему переключиться с одного вида поведения на другой.
Нелинейные зависимости — основная причина обратимого доминирования, характерного для некоторых систем в нашем «зоопарке». Изменение может быть резким: например, экспоненциальный рост, вызываемый усиливающим циклом, вдруг сменяется снижением из-за того, что доминирование перешло к балансирующему циклу.
Значение нелинейностей можно проиллюстрировать примером из реальной жизни — историей про массовое нашествие гусениц-почкоедов на североамериканские леса.
Гусеницы-почкоеды, хвойные леса и пестициды
Годовые кольца деревьев позволяют определить, что в последние 400 лет в североамериканских хвойных лесах периодически случались нашествия гусениц-почкоедов, уничтожающих пихты и ели. До двадцатого века это никого особо не беспокоило, потому что древесину для пиломатериалов давали сосновые леса. Пихты и ели считались чуть ли не сорняками. Но со временем девственные сосновые леса исчезли, и лесная промышленность переключилась на ель и пихту. И гусеницы-почкоеды превратились в серьезных вредителей.
Начиная с 1950-х гг. северные леса стали опрыскивать I ДДТ, чтобы не допускать размножения гусениц Несмотря на опрыскивание, каждый год их популяция восстанавливалась. Ежегодные распыления химикатов продолжались на протяжении еще трех десятков лет, пока ДДТ не запретили. Тогда вместо него стали использовать фенитротион, ацефат, севин и метоксихлор.
Люди уже понимали, что инсектициды — не спасение от нашествия гусениц, но все же считалось, что их применение необходимо. Специалисты лесной промышленности говорили, что применение инсектицидов позволяет выиграть время, чтобы сохранить деревья в целости до того момента, пока не начнутся рубки.
К 1980 г. расходы на опрыскивание вышли за пределы разумного. Только в одной канадской провинции Нью-Бран-свик за год на «избавление» от гусениц ушло 12, 5 млн долларов. Местные жители были обеспокоены и активно противились тому, чтобы все окрестности без устали поливали отравой. К тому же, несмотря на распыление химикатов, гусеницы неплохо себя чувствовали и за год уничтожали по 20 млн гектаров леса.
|
|
|
К. С. Холлинг из Университета Британской Колумбии и Г. Баскервиль из Университета Нью-Брансвика создали компьютерную модель, чтобы изучить проблему с нашествием гусениц с системной точки зрения. Модель позволила
установить, что до того, как начались опрыскивания, гусеницы практически не проявляли себя многие годы подряд. Их численность контролировали естественные хищники — птицы, пауки, осы. Влияли на них и некоторые болезни. Но периодически, через несколько десятков лет, случалась вспышка размножения, которая длилась от шести до десяти лет. После этого численность гусениц падала, чтобы через несколько десятков лет снова резко увеличиться.
Из всех пород деревьев гусеницы предпочитают бальзамическую пихту. На втором месте стоит ель. Бальзамическая пихта составляет основу северных лесов, и при естественном ходе событий она со временем вытесняет ели и березы. Леса становятся монокультурными — в них нет других деревьев, кроме пихты. Вспышка численности гусениц уменьшает количество пихт, и это дает елям и березам новый шанс. Хотя со временем пихта опять начинает вытеснять все остальное.
Когда количество пихт увеличивается, вероятность вспышки численности гусениц тоже возрастает, причем нелинейно. Способность гусениц к размножению растет существенно быстрее, чем было бы при пропорциональной зависимости от количества пихт. Спусковым крючком могут послужить две-три теплые весны подряд — в таких условиях выживает большинство личинок гусениц. (Кстати, если ограничиваться только анализом на уровне событий, то в нашествии гусениц надо было бы обвинить теплую и сухую погоду весной. )
Популяция гусениц становится слишком большой, с ней не могут справиться естественные враги — и эта зависимость тоже нелинейная. Обычно в довольно широком диапазоне условий большая популяция гусениц приводит к большей численности естественных хищников, их поедающих. Но только до определенной точки. После нее хищники не успевают размножаться с такой скоростью. Если раньше был усиливающий цикл (больше гусениц — больше естественных врагов), то теперь он не действует (больше гусениц — но численность хищников так быстро не растет — и гусеницы размножаются беспрепятственно).
|
|
|
Начиная с этого момента, только одно способно остановить нашествие гусениц: они сами подрывают свою пищевую базу, уничтожая пихту по всем лесам. Когда это происходит, популяция гусениц резко уменьшается — причем тоже нелинейно. Усиливающий цикл размножения гусениц уступает балансирующему циклу, описывающему гибель от голода. В лесах, где раньше была пихта, снова появляются ели и березы, и цикл начинается заново.
|
|
|
