На протяжении всего предшествующего изложения постоянно возникало упоминание нелинейных явлений, нелинейности поведения системы. Ниже эти понятия будут раскрыты, и на ряде примеров показано, в чем состоит различие линейного и нелинейного подходов. Это различие существенно, потому что в настоящее время достигнуто общее понимание важности этого круга понятий, выходящих далеко за пределы той области механики и физики, где они зародились [149].

Представление о линейных законах связано прежде всего с тем, что они обычно описывают малые изменения изучаемого объекта. Так растяжение пружины пропорционально приложенной силе. Только когда преодолена упругость и прочность материала пружины, ее растяжение перестает быть пропорциональным силе. Для линейных явлений не важен их масштаб -- растяжение на миллиметр или сантиметр качественно одинаково, если предел прочности составляет метр.

Пример слабо нелинейной системы -- маятник. Пока угол его отклонения мал по сравнению с 90o, время колебаний, как у линейной системы, слабо зависит от его размаха. Рассматриваемые системы имели малое число степеней свободы. В сложной системе при таком линейном подходе обычно выделяется только одна степень свободы.

Поведение сложных систем можно рассматривать, как говорят, в линейном приближении. Это верно тогда, когда состояние системы устойчиво. Критерий устойчивости системы заключается в малых колебаниях около положения равновесия. Если же система находится вблизи порога устойчивости, но еще устойчива, то даже небольшое возмущение может стать причиной непропорционально крупных изменений, наступающих при потере устойчивости, нарушении внутренней структуры и организации системы, которые затем приводят к хаосу (рис. 2.4).

Очень многое в нашем поведении и суждениях основано именно на линейной модели мира. В большинстве случаев она работает и служит прекрасным инструментом нашего сознания -- от оценки погоды на следующий день до поведения машины при повороте или обгоне. Однако надо помнить, что линейная модель всегда ограниченна, для нее всегда есть порог -- жесткий, как хрупкость стекла, или невыраженный, как при растяжении резины. Рассматривая линейный подход, мы увидели, что есть предел, за которым наступает качественно новая область -- нелинейный мир. Он намного разнообразнее линейного, и для объяснения нелинейных явлений надо искать новые образы и интеллектуальные модели [17].

С понятием линейности связаны и прочно укоренились в нашем сознании причинно-следственные отношения. Причиной деформации пружины является действующая сила. При управлении машиной малыми усилиями руля обеспечивается устойчивое движение по заданному пути на основе линейных прогнозов движения автомобиля. Такие линейные прогнозы мы все склонны делать, и для этого есть глубокие психологические причины.

Рис. 2.4 Системы устойчивые (1), ограниченно устойчивые (2) и неустойчивые (3)

Причиной маневра машины являются воля и усилие водителя, однако при неумелом или резком повороте машину может занести -- порог устойчивого движения будет перейден и движение станет неуправляемым; маневр привел к неконтролируемым последствиям. Таким образом, в нелинейных явлениях причинно-следственная связь событий оказывается неоднозначной, и простая линейная зависимость причины и следствий больше не отвечает сложной картине движения.

Предвидение развития событий при движении машины и изменении погоды или при расчете роста населения ограничено горизонтом прогноза. Так прохождение атмосферного фронта приводит к резкому, за несколько часов, изменению погоды. В системе преодолевается порог развития, происходят внезапные бифуркации, переходы в новое состояние организации системы, после чего наступает следующая стадия эволюции, пока развитие не приведет к новому порогу и переходу в новое состояние. В этом состоит сценарий развития сложной системы, каким он представляется в образах нелинейной механики.

Рассматривая устойчивый рост населения страны, можно с достаточной уверенностью предсказать его численность через 5 или 10 лет. Действительно, за это время население увеличится на 7-15%, еще меньше составит миграция населения, и можно предвидеть с определенной степенью вероятности, что в течение этого срока не наступит война или другая катастрофа. Происходит это потому, что рассматриваются малые, по сравнению с общей численностью населения, изменения. Однако экстраполяция населения на поколение вперед требует уже большей осмотрительности и множества оговорок.

Малые воздействия на систему вблизи границы устойчивости могут привести к непропорционально большим последствиям. Так в 1914 г. Европа стремительно развивалась, вооружалась и находилась на пороге устойчивости. Убийство эрцгерцога Фердинанда оказалось малым, но достаточным возмущением для того, чтобы опрокинуть хрупкую систему европейской безопасности и ввергнуть Европу в непредвиденный хаос мировой войны. И только по прошествии 40 лет Европа перешла в новое состояние относительно спокойного развития.