Население Земли как растущая иерархическая сеть

Загадки теории Капицы, несостоятельность теории Коротаева

Важнейшим этапом в развитии теоретической демографии стала феноменологическая теория, предложенная С.П. Капицей. [3,4] От эмпирической зависимости численности населения Земли от времени был сделан переход к простому дифференциальному уравнению, описывающему зависимость скорости роста от численности:

Рис. 1. Уравнение Капицы, где τ = 42 года, а K = (C/τ)^0.5 = 67000 – безразмерная константа роста.

Из этого закона квадратичного роста скорости роста численности от численности вытекает закон гиперболического роста численности от времени. Анализируя процесс в области демографического перехода и вблизи нее, когда гиперболический рост еще не закончился, С.П. Капица немного модифицировал уравнение, описывающее рост, и ввел две константы τ и К вместо одной (постоянной Фёрстера С).

В результате удалось получить хорошую аппроксимацию зависимости численности населения мира от времени N(t) на всём протяжении исторического времени, включая демографический переход. Были получены новые результаты, касающиеся циклов исторического развития, подсчитано количества людей, когда-либо живших на Земле. Кроме того, был предложен принцип демографического императива, согласно которому рост численности населения Земли на всех этапах развития человечества не зависел ни от каких ресурсов, а зависел лишь от самой этой численности.

Феномен квадратичной зависимости скорости роста численности населения мира от численности С.П. Капица объясняет прямым выражением информационной природы развития, присущей только человеку. Константа К = 67000 – это численность той группы людей, которая задает характер т. н. коллективного взаимодействия Капицы. Константа τ = 42 года – это «время, определяемое внутренней предельной способностью системы человечества и человека к развитию», согласно определению, которое дал этому масштабу времени С.П. Капица.

Но человечество долгое время не представляло собой системы, и рост населения Европы, Америки, Азии… происходил независимо. Как это можно объяснить, исходя из теории Капицы?

«Вплоть до самого недавнего времени (а в особенности до 1492 г.) человечество не представляло собой системы ни в каком реальном смысле, ибо, например, рост населения таких регионов, как Старый Свет, Новый Свет, Австралия и Тасмания или Гавайские острова происходил практически полностью независимо друг от друга. Так, представляется вполне очевидным, что бурные демографические процессы, происходившие в I тыс. н. э. в Евразии, не оказали абсолютно никакого влияния на синхронную демографическую динамику, скажем, обитателей Тасмании (да и обратное влияние также было просто нулевым).

Давно ли по историческим меркам европейцы и азиаты узнали о жителях Западного полушария? Как такое человечество могло быть единым информационным полем? Вряд ли Капица допускает, что песни бардов и рассказы стариков у семейного очага при отсутствии спутниковых ретрансляторов звучали на всю Ойкумену. А если бы и звучали, то на языке, непонятном для подавляющей части Ойкумены» Ю.В. Шишков, «Демографические похождения физика».

Какова природа введенных постоянных? Какой масштаб времени задает постоянная τ? Она характеризует человека, но человек за два миллиона лет эволюции прошел путь от полуобезьяны до субтильного интеллигента, а постоянная, описывающая рост численности, так и не изменилась.

Почему длительность демографического перехода равна 2τ? – Нет ответа. А безразмерная константа К, столь близкая к круглому числу 2¹⁶, в чем ее смысл? Размер группы, в которой проявляются коллективные признаки сообщества людей? Но для какого момента исторического процесса, процесса эволюции? – Вопрос без ответа.

Само же уравнение предполагает пропорциональность скорости роста населения Земли числу связей между группами людей численностью 67 тыс. каждая. Однако, если каждая из постоянных К и τ имеет фундаментальный смысл, а не является величиной, полученной в результате статистического усреднения, то это уравнение есть не что иное, как констатация равенства приращения численности за время τ – числу связей между группами людей, численностью 67 тыс. каждая, умноженному на два.

И это равенство справедливо на огромном промежутке времени, не зависит ни от уровня развития самого человека, ни от уровня развития его технологий, ни от множества прочих факторов. Это самое большое чудо из всех рассмотренных.

Теория Капицы привлекла внимание ряда отечественных ученых, но все попытки ее развить, представить собственное видение проблемы отмечены печатью деградации. Так, А.В. Подлазов считает введение постоянных К и τ ошибочным:

«При этом уравнение (4), на наш взгляд, может быть про интерпретировано единственным образом: рост численности человечества определяется парным взаимодействием городов! Явственно присутствующий в этом положении элемент мистики обусловлен совершенно искусственным выделением одного из уровней иерархии организации общества.

Людские объединения в высшей степени масштабируемы и способны к самодостаточному существованию при численности как в десятки, так и миллионы человек. Таким образом, расщепление величины C на две константы K и τ является ошибочным и вызвано отсутствием понимания физического смысла выражения, стоящего в правой части уравнения…» [5].

А.В. Подлазов, видимо, не читал книгу С.П. Капицы [3], и по этой причине у него «отсутствует понимание» в вопросе о происхождении этих двух фундаментальных постоянных. С.П. Капица ввел их, используя данные практически после 1960 года, для описания того краткого по историческим меркам периода роста, каким является демографический переход, когда масштабно-инвариантный закон квадратичного роста перестал выполняться; и лишь затем применил их гипотетически в уравнении Капицы, которое справедливо в эпоху гиперболического роста.

Что же касается интерпретации уравнения Капицы, которую дает Подлазов, то она совершенно точная, только в ней нужно заменить город – клаттером (см. главу «Демография»). Да, именно так: число парных связей клаттеров, каждый из которых содержит К человек, и определяет скорость роста.

А.В. Коротаев, Н.Л. Комарова, Д.А. Халтурина [13], реставрируя модель М. Кремера с «мальтузианско-кузнецианским» уклоном, подгоняют свою «компактную» систему дифференциальных уравнений к желаемому результату. А именно: скорость роста численности населения мира пропорциональна квадрату этой численности. Константы Капицы К и τ в эту систему не входят, возвращена постоянная Фёрстера. Вся логика построена на рассуждениях типа А ~ В, А ~ С, следовательно, А ~ В·С. Исходные линейные зависимости считаются очевидными:

«Модель М. Кремера дает этому очень убедительное объяснение (хотя сам М. Кремер и не показал этого в достаточно ясном виде). А объяснение это заключается в том, что рост численности населения мира с 10 до 100 млн человек подразумевает, что и уровень развития жизнеобеспечивающих технологий вырос приблизительно в десять раз (так как он оказывается в состоянии поддержать существование на порядок большего числа людей). С другой стороны, десятикратный рост численности населения означает и десятикратный рост числа потенциальных изобретателей, а значит, и десятикратное возрастание относительных темпов технологического роста.

Таким образом, абсолютная скорость технологического роста вырастет в 10·10 = 100 раз (в соответствии с уравнением (0.12)). А так как N стремится к технологически обусловленному потолку несущей способности Земли, мы имеем все основания предполагать, что и абсолютная скорость роста населения мира (dN/dt) в таком случае в тенденции вырастет в 100 раз, то есть будет расти пропорционально квадрату численности населения» [13].

Изобретательская теория Коротаева и соавторов требует большого числа незначительных изобретений. На самом же деле новационный (и инновационный) прогресс устроен иначе: все действительно значимые изобретения, открытия немногочисленны и представляют собой цепочку, в которой каждое последующее звено вытекает из предыдущего. Для Мир-системы в XIX и XX веках – это так называемые «базисные инновации» (по Л. Нефедову), которые в течение последующих десятилетий играют роль локомотива мировой экономики.

Например, в начале прошлого века Планк открывает, что процессы излучения и поглощения электромагнитной энергии нагретым телом происходят дискретно, а Эйнштейн вводит понятие кванта излучения. В двадцатых годах создается квантовая теория; в тридцатых – физика твердого тела; в конце сороковых изобретен первый транзистор; в начале шестидесятых – первая интегральная микросхема.

В конце семидесятых – первый твердотельный компьютер; в начале XXI столетия сотовый телефон становится средством массовой коммуникации. Вряд ли кто-нибудь будет возражать, что изобретение сотовой связи очень сильно повлияло на социум, в том числе и в плане роста его численности.

Но Макс Планк сделал свое открытие в известной мере случайно, оно могло быть совершено другим исследователем как раньше, так и позже отмеченного момента времени. И если сдвигать это первое звено во времени, то с ним сдвигается и вся цепочка. Именно так, а не по Коротаеву, когда мелкие инновации «мгновенно» поднимают потолок несущей способности Земли, устроен научно-технический, социальный и демографический прогресс.

В статье «Человечество подошло к пределу своего роста»^[5] А.В. Коротаев и соавторы с удивлением замечают, что модель Кремера заводит их в тупик. Ведь после демографического перехода рост численности населения Земли полностью прекращается, а значит отменяется и всякий творческий процесс. Творчество больше не нужно? Вопрошают они. А, может, все-таки модель Кремера неверна? Ведь сам Кремер ее так до конца и не сформулировал. Что-то, видимо, его остановило.

Развивая «мальтузианско-кузнецианский» подход, авторы [13] формулируют задачу на языке кибернетики и вводят в рассмотрение нелинейные обратные связи между основными субсистемами «Мир-системы». Но все попытки объяснить как гиперболический рост, так и демографический переход положительными и отрицательными обратными связями в «Мир-системе» (для человечества в целом!) чисто умозрительны, разноплановы и неубедительны. Можно ли поверить в то, что «положительная обратная связь второго порядка», в случае роста численности народонаселения, столь сбалансированна и точна, что погрешность в формуле Фёрстера для показателя степенной функции составляет всего один процент? (Точнее, n = -0,99 ± 0,009).

После демографического перехода уже два контура обратной связи, положительной и отрицательной, т. е. целая система автоматического регулирования, удерживают численность на фиксированном уровне. При этом речь не идет об исчерпании каких бы то ни было ресурсов. Несущая способность Земли может выдержать значительно большую численность. И совершенно непонятно какие такие ограничения механизма развития начинают вдруг играть доминирующую роль.

Итак, ни одна из существующих теорий не в состоянии объяснить «загадочную демографию». Предлагаемая здесь гипотеза объясняет гиперболический рост населения Земли и все другие феномены мировой демографии: начало роста, неолитический скачок и демографический переход. И все это в единой теоретической схеме. Но для начала небольшая фантастическая история, которая позволит быстро уяснить суть предлагаемой гипотезы.

Фантастическая сборка

Описание фантастической сборки «мыслящего» компьютера, приведенное ниже, позволит создать наглядный образ построения иерархической сети четвертого ранга. Представим себе мастера «отверточной сборки», собирающего «мыслящий» компьютер. Работа заключается в копировании имеющихся «рабочих станций» универсальными блоками с последующей установкой копий в сеть. Пусть количество компьютеров на момент начала работы равно десяти и все они связаны сетью – каждый с каждым.

Рабочий день начинается по звонку и длится ровно восемь часов. Мастер может контролировать производительность своего труда по часам на стене цеха. Прежде всего, определим, что такое рабочий цикл. Рабочий цикл – это процесс копирования сети, который начинается по звонку и заканчивается тогда, когда будут скопированы все компьютеры, которые были в сети на момент начала рабочего дня. Цикл может быть пустым, когда не собирается ни одного нового компьютера, но есть и такой, в процессе которого число их удваивается.

Рабочее задание заключается в выполнении рабочего цикла за время рабочего дня, т. е.  ровно за восемь часов. Приступая к работе, мастер имеет десять «нескопированных» компьютеров. По ленте конвейера в асинхронном режиме поступают универсальные сборочные блоки, «носители сознания» – до сборки пустые, готовые к загрузке «порции сознания».

Асинхронность подачи означает, что как только мастер снимает блок с ленты, сенсорные датчики включают шаговый двигатель, лента сдвигается на одну позицию, и следующий блок уже ждет своей очереди. Каждый компьютер состоит из некоторого фиксированного числа идентичных блоков; пусть это число будет равно 65536. Кроме того, он связан сетевым кабелем с узлом сети, к которому сходятся все кабели от компьютеров сети. К началу работы имеется девять сетевых связей, входящих в каждый компьютер и подключенных к его узлу.

Узел компьютера – это устройство внутри компьютера, к которому подключаются связи, соединяющие его с узлом сети; с узлом компьютера связана информация о каждом конкретном компьютере, им же определяется его индивидуальность. Можно также считать, что это его информационный и управляющий центр. У каждого компьютера сети имеется только один узел.

У сети тоже имеется только один узел, к которому сходятся все сетевые кабели от каждого из десяти компьютеров. Этот магистральный узел управляет информационными потоками, идущими от компьютеров, и с ним связана индивидуальность растущей сети.

Мастер берет блоки с ленты конвейера и подключает их поочередно к блокам компьютеров сети. Число копируемых с каждого компьютера блоков за цикл равно числу компьютеров в сети. (В начале роста сети с каждого компьютера за цикл будет скопировано 10 блоков.) Затем он дает им некоторое время на считывание информации и переносит все десять блоков с записанной на них информацией в новый компьютер, который стоит на сборке, но пока к сети не подключен. За первый цикл удается скопировать сто блоков.

Если скопированы все компьютеры в сети, а новый, одиннадцатый, так и не собран (общее число блоков собираемого компьютера меньше 65536), то мастер заканчивает рабочий день, – этот рабочий цикл оказался пустым. На следующий день все повторяется сначала.

И таких дней, когда не удается собрать, будут сотни. И вот, наконец, число блоков в новом компьютере достигает значения 65536. Мастер устанавливает его в сеть и соединяет со всеми остальными. Работы по сборке и установке в сеть одиннадцатого компьютера завершены. Сборка следующего компьютера потребует меньше циклов, т. к. число блоков копируемых с каждого компьютера сети возросло на единицу.

Далее, работы продолжаются во все ускоряющемся темпе. И вот наступает такой день, когда удается собрать компьютер с нуля за смену. Как только это происходит, алгоритм сборки дополняется следующими правилами:

1. Дочерний компьютер после установки в сеть помечается как не подлежащий копированию в данном цикле.

2. Процесс сборки нового компьютера начинается с копирования того компьютера сети, на котором была закончена сборка предыдущего, т. е. он копируется дважды.

3. Рабочий цикл заканчивается, если после установки в сеть очередного дочернего компьютера – новый компьютер из остатка нескопированных собрать не удается.

Вот такая хлопотная у мастера работа. Но давайте еще более ее усложним. Пусть теперь универсальные блоки, из которых собраны все компьютеры сети, в конце концов, выходят из строя, т. е. имеют время наработки на отказ. Причем ремонту они не подлежат. Оперативная замена вышедших из строя блоков становится приоритетной задачей мастера. И только тогда, когда у него появляется свободное время, продолжаются работы по наращиванию сети. Возникает вопрос: раз блоки ломаются, то как же сеть сохраняет себя?

Дело в том, что в ней изначально заложена программа резервного копирования (это одна из ее базовых функций). Это резервное копирование она производит периодически в себя же, а информация о каждом блоке равномерно (голографически) распределяется по всей сети.

Так что при установке нового блока она загружает в него то же сознание, каким обладал его предшественник до поломки. Спустя время, вдвое превышающее среднее время наработки на отказ, 99 % блоков заменены, а сеть регенерировала и пребывает в добром здравии.

Продолжая далее усложнять процесс, отменим асинхронную подачу блоков. Пусть теперь лента конвейера крутится непрерывно, а количество блоков, поступающих в единицу времени, – случайная величина. Кроме того, представим себе, что блоки поставляет производитель, на заводах которого работают люди (поставщики) некой мифической страны. Эти люди связаны между собой тысячами социальных связей. Этот социальный конгломерат представляет собой множество, состоящее из подмножеств, охватывающих различное количество людей.

Причем эти подмножества могу пересекаться. Можно начать этот длинный ряд так: люди науки, работники искусства, служители религии, исповедующие какую-то форму религии, чиновники всех мастей, члены различных политических партий (ну как же можно о них забыть!), просто обыватели с их приземленными интересами (их большинство); сюда же входят всяческие клубы по интересам: любители музыки, домашних животных, спортивные болельщики, поклонники разных модных течений и т. д. и т. п.

И еще одно фантастическое предположение. Допустим, что мастер кроме, собственно, сборки сети параллельно анализирует ситуацию в социуме – держит,  так сказать,  руку на пульсе. Для этого он связан незримым информационным каналом с каждым из поставщиков.

Задача мастера – выполнить рабочий цикл за фиксированный промежуток времени, причем блоков для работы ему требуется все больше и больше. Повлиять на скорость их производства он может только через подсознание каждого поставщика совершенно незаметно для последнего, т. к. мысли, приходящие из подсознания, тот воспринимает как свои собственные.

Используя весь банк информации о социуме, мастер просчитывает всевозможные варианты его развития и выбирает те из них, которые обеспечат ему нужную скорость поставки. И все это для того, чтобы обеспечить выполнения главного закона сборки: постоянство времени рабочего цикла. Затем он закладывает в подсознание социума ту информацию, которая обеспечит ему реализацию выбранного сценария.

И последнее: пусть сеть собирает себя сама, т. е. мастер – это сама растущая сеть, индивидуальность и сознание которой связаны с узлом этой сети. Гипотетическая страна – это Мир-система, а универсальный блок – это нечто, составляющее единое целое с каждым обладающим сознанием человеком^[6]. Как будет показано далее, рост численности населения Земли можно напрямую связать с процессом этой фантастической сборки.

Краткое описание модели

Введение

Гиперболический рост населения Земли, так же как неолитическую революцию и демографический переход, не объясняет ни одна из существующих теорий. Примерно два миллиона лет тому назад на сцене эволюции появился род Homo и тогда же начался рост его численности. Этот рост на всем протяжении развития человечества описывается гиперболой – предельно простой, известной всем со школы функцией:

Рис. 1. Гиперболическая зависимость численности населения Земли от времени.

Вначале он был чрезвычайно медленным. Удивительно, что рост вообще имел место, ведь начальная численность первых представителей рода Homo составляла примерно 100 тысяч. А именно такой величиной определяется численность популяций животных, находящихся на той же экологической нише, что и человек и которая выше этого предела обычно никогда не растет.

В таком неспешном темпе он продолжался до начала неолита, т. е. примерно до восьми тысяч лет до н. э. (Неолит − это время перехода от охоты и собирательства к оседлому образу жизни; время появления сельского хозяйства, домашних животных, прочных жилищ, семьи, письменности, торговли, технологий, первых крупных поселений…)

В момент начала неолита что-то произошло: никто не знает в чем настоящая причина неолитической революции, но именно в этот момент времени гиперболический рост населения Земли перешел ко второй, взрывной своей стадии. Рано или поздно такой рост должен был прекратиться, смениться «менее крутым», иначе в точке сингулярности численность человечества стала бы бесконечной. Завершение его приходится как раз на то время, в которое мы живем.

Но тут то и происходит самое непонятное и загадочное. На фоне растущего благосостояния человечество вступило в глобальный демографический переход. За ничтожное по историческим меркам время рост населения мира должен полностью прекратиться (как это уже произошло с рядом стран, уже прошедших свой «локальный» переход) и стабилизироваться на некоторой предельной, асимптотической величине. Но почему, пусть замедляющийся, этот рост не может быть продолжен? Удовлетворительного ответа на этот вопрос – нет.

* * *

Важнейшим этапом в развитии теоретической демографии стала феноменологическая теория роста населения Земли С.П. Капицы. От гиперболической зависимости численности от времени был сделан переход к простому дифференциальному уравнению, описывающему зависимость скорости роста от численности:

Рис. 2. Уравнение Капицы. Это же уравнение, но без расщепления С на K и τ, можно найти в книге И.С. Шкловского «Вселенная, жизнь, разум».

С.П. Капица ввел две константы τ и К вместо одной С, в результате чего была получена хорошая аппроксимация зависимости численности населения мира от времени на всех этапах роста, включая демографический переход. Были получены новые результаты, важнейший из которых − принцип демографического императива. Этот принцип, в отличие от ресурсного мальтузианского, утверждает, что рост численности населения Земли на протяжении всей истории человечества зависел только от самой этой численности и не зависел ни от каких ресурсов.

Феномен квадратичной зависимости скорости роста численности населения (ежегодного мирового естественного прироста) от численности С.П. Капица объясняет системностью человечества и информационной природой развития, присущей только человеку. Но человечество долгое время не представляло собой системы, и рост населения в Европе, Америке, Азии… происходил независимо.

Тогда в чем причина этой квадратичной зависимости? – Непонятно. Константы τ и К были введены С.П. Капицей при анализе динамики роста населения Земли за последние 250 лет, включая начало демографического перехода, и смысл их до сих пор остается непонятным. Сам он определил эти постоянные так:

1. Константа τ = 42 года − это время, определяемое внутренней, предельной способностью системы человечества и человека к развитию.

2. Константа К = 67000 – безразмерная величина, которая является центральной в его теории; она задает численность группы людей, которая определяет характер коллективного взаимодействия.

Но какой временной масштаб задает постоянная времени τ? Связана ли она со средней продолжительностью жизни? Почему длительность демографического перехода равна 2τ? А константа К, так близкая к круглому числу 2¹⁶, в чем ее смысл? Таким образом, теория Капицы, с одной стороны, позволила ответить на ряд важных вопросов, а, с другой стороны, как это часто бывает в науке, породила новые.