Раздел физики, родившийся из ошибки
Игорь Иванов
Теория квантовая механика и относительности Эйнштейна — две самых больших физических теории XX столетия — появились из революционных идей, мгновенно поменявших физику до неузнаваемости. Но далеко не всегда новое направление в физике начинается с таковой революции.
Не редкость, что незаметная сначала мысль, предложенная для объяснения какого-либо частного явления, неспешно обобщается, обнаруживается во всё большем числе разнообразных эффектов, и, наконец, делается универсальным законом природы. Позже может оказаться, что использование данной идеи к исходному частному факту было неоправданным, но это уже не оказывает негативное влияние на развитие новому направлению физики и появляться его практическим применениям.
Об одной таковой истории — данный рассказ.
***
Еще в десятнадцатом веке было найдено, что в геологическом прошлом климат Почвы не оставался неизменным. Какое-то время назад большую часть материков северного полушария занимали ледники, но и такое состояние было не всегда, а наступало иногда: земной климат проходил через стадии ледниковых периодов. По мере совершенствования методики изучения прошлого Почвы вырисовывалась ясная картина: за последний миллион лет ледниковые периоды наступали приблизительно каждые сто тысяч лет.
отступления и Причина наступления ледников понятна — это неспециализированное похолодание либо потепление климата Почвы. Но что приводит к этим глобальным изменениям климата и откуда берется эта стотысячелетняя периодичность?
Основной источник тепла для Почвы — это Солнце, соответственно, долгосрочные колебания климата вызываются, по-видимому, трансформацией потока солнечного тепла, попадающего на Землю. Само Солнце светит стабильно, но параметры земной орбиты неспешно изменяются со временем. Из курса школьной физики как мы знаем, что Почва движется около Солнца по легко вытянутому эллипсу и, помимо этого, вращается около собственной оси, наклоненной под некоторым углом к плоскости орбиты.
Все эти параметры не остаются постоянными: земная ось сама медлительно вращается в пространстве с периодом 27 тыс. лет, а угол ее наклона изменяется в маленьких пределах с периодичностью 41 тыс. лет. Наконец, вытянутость земной орбиты (эксцентриситет) также легко колеблется. Приблизительно каждые 100 тыс. лет орбита Почвы изменяется от совсем круглой до чуть вытянутой и обратно.
Каждое из этих колебаний ведет к маленькому сезонному перераспределению солнечного тепла между различными широтами, соответственно, воздействует на климат.
Взор на приведенные числа сходу наводит на подозрение, что обстоятельством периодичности оледенений смогут быть колебания эксцентриситета. Но тут имеется одна неувязка: эти колебания — самые не сильный из всех перечисленных выше. На не сильный периодический сигнал накладываются значительно более сильные и скоро изменяющиеся возмущения: так как случайно изменяющаяся с каждым годом погода на Земле на масштабе многих тысяч лет выглядит легко как сильный, хаотический «погодный шум».
Как же самому не сильный «внешнему сигналу» удается через данный шум пробиться и, пересилив все остальные сигналы, «зазвучать в полную силу» на графике оледенения?
Тут самое время, вместо того дабы угадывать, кто и на что воздействует, воспользоваться способами теоретической физики и выстроить модель отклика земного климата на различные внешние действия. Грамотно выстроенная модель сама ответит на отечественные вопросы.
***
В первой половине 80-ых годов XX века две группы физиков — одна в Риме под управлением Р. Бенци, вторая в Брюсселепод руководством К. Николис, — независимо друг от друга внесли предложение сосредоточиться на неспециализированных чертах поведения климата под одновременным влиянием не сильный периодического и сильного хаотического действий. Выстроив несложную математическую модель и изучив ее, они открыли совсем поразительное — и на первый взгляд кроме того противоестественное — явление.
Оказывается, шум определенной интенсивности не только не мешает, а кроме того оказывает помощь не сильный возмущению показать себя в отклике совокупности. Это явление стало называться стохастического резонанса. Слово «резонанс» свидетельствует тут нежданно сильный отклик совокупности, а «стохастический» отражает тот факт, что обстоятельство для того чтобы результата — хаотическое действие, шум.
Сущность этого явления столь несложна, что ее возможно изложить без единой формулы. В состоянии «ледникового равновесия» площадь оледенений с каждым годом остается постоянной. Само собой разумеется, ледники уменьшаются летом и восстанавливаются зимний период, но серьёзным есть как раз значение, усредненное за год. Оказывается, имеется две достаточно устойчивых обстановки: большое и минимальное оледенения.
При большом оледенении Почва выглядит из космоса белой, соответственно, она отражает большая часть падающих на нее солнечных лучей и солнечного тепла, и это не позволяет растаять широким ледникам. Второе состояние климата кроме этого стабильно: в случае если оледенений практически нет, то Почва выглядит чёрной, поглощает большое количество солнечного тепла, и это не позволяет образовываться новым глобальным оледенениям. Различие в температуре между «холодной» и «горячей Почвой» существенно — порядка 10 градусов.
Представьте себе, как бы вам жилось в вашем родном городе, если бы температура окружающей среды была неизменно на 10 градусов ниже!
Под действием внешних возмущений «ледниковое равновесие» перестает быть полностью устойчивым. Потому, что «погодный шум» — явление случайное, нельзя исключать, что полностью случайно пара лет подряд в силу различных обстоятельств на Земле будет наблюдаться необычно сильное похолодание. Каждую зиму ледники будут разрастаться, не успевая растаять летом, через некое время покроют заметную часть земной поверхности, и тогда окажется, что климат находится уже в холодной фазе.
Подобно, за счет одних лишь случайных, но достаточно сильных шумов, вероятен и обратный перескок из холодной фазы в теплую: всё, что требуется, — это подождать некое время.
не сильный периодическое действие ведет к тому, что в течение половины периода (а это многие тысячи лет) среднегодовой поток тепла делается чуть больше, а в течение другого полупериода — чуть меньше простого. Но это действие не сильный и само по себе ледниковые льды не растопит. В физике такое возмущение именуется подпороговым: его сила меньше того порога, что нужен для перескока совокупности из одного состояния в второе.
А вот в то время, когда эти два действия — шум и периодический подпороговый сигнал — трудятся совместно, тут-то и появляется резонанс. период сигнала и Мощность шумов возможно подобрать так, что они начнут «сотрудничать»: шум как бы оказывает помощь совокупности «созреть» для перескока в второе устойчивое состояние, а слабенькое приложенное действие подталкивает ее в необходимый момент, задает темп перескоков. Периодическое действие весьма не сильный, но как раз оно играет роль «дирижера» глобальных оледенений.
Итак, совместное воздействие слабого возмущения и сильного шума определенного периода ведет к появлению четко заметного периодического отклика, повторяющего не сильный возмущение, но многократно усиленного шумами. Поразительный симбиоз казалось бы несовместимых явлений!
***
Так, земной климат — это некая совокупность, которая под одновременным действием сильных хаотических и не сильный периодических сил систематично «переключается» между двумя довольно устойчивыми состояниями. Сейчас возможно сделать обычный для теоретической физики переход: забыть про конкретную обстановку (Почва, климат, ледники) и сфокусироваться на самых неспециализированных чертах явления.
На языке теоретической физики выстроенная модель именуется стохастическая бистабильная совокупность с вынуждающей силой. Читателя, добравшегося до этих строчков, такие термины уже не должны испугать.
Раз стохастический резонанс возможно сформулировать в столь неспециализированных терминах, то появляется желание отыскать его проявления и в иных бистабильных совокупностях. Сначала, действительно, казалось, что найденное «на кончике пера» явление через чур уж искусственно, но к концу 1980-х годов одно за вторым стали появляться сообщения о наблюдении таковой «противоестественной периодического» воздействия и дружбы шума в самых различных совокупностях.
Тут были и электрические цепи, и лазеры, и магнитные совокупности, и полупроводниковые устройства. Одним словом, рождалось и бурно развивалось новое направление в физике.
Примечательно, что уже в скором времени, в то время, когда сверхминиатюрная электроника выйдет из научных лабораторий и станет дешева массовому пользователю, стохастический резонанс может оказаться серьёзной ее частью. К примеру, в 2003 году исследователи из Университета Южной Калифорнии нашли это явление в самых перспективных «кирпичиках» наноэлектроники будущего — в углеродных нанотрубках (долгих цилиндрических каркасных молекулах, полностью складывающихся из углерода).
Транзисторы, выполненные на одной нанотрубке, были способны регистрировать более не сильный зашумленные сигналы, чем ожидалось сначала! Второй пример дают нейронные сети — электронные устройства, талантливые действенно обрабатывать огромные количества информации. В таких сетях стохастический резонанс будет проявляться в виде улучшенной проводимости зашумленной синхронизации и информации процессов, в один момент происходящих в различных частях сети.
Изучения говорят о том, что оба этих явления возможно применять при конструировании сети. Наконец, в самые последние годы показался последовательность сообщений об успешном применении стохастического резонанса при обработке сигналов и компьютерном распознавании изображений.
Пожалуй, самым драматичным моментом в истории стохастического резонанса стало осознание того факта, что природа уже давно забрала его на вооружение. Во второй половине 90-ых годов XX века американцы Миллер и Левин, изучая поведение обычного сверчка, поняли, что чувствительность его рецепторов возрастала при наложении шумов определенной громкости. Стохастический резонанс помогал сверчку лучше улавливать не сильный синхронные колебания воздуха и своевременно выяснять о приближении хищника!
Подобные испытания, совершённые во второй половине 90-ых годов двадцатого века группой Ф. Мосса в Сент-Луисе, продемонстрировали, что это же явление применяет и рыба веслонос для охоты на дафний: она улавливает не сильный синхронные колебания электрических полей в воде благодаря электрическим же шумам и определит о близости собственной добычи.
Громадный интерес физиологов к новому физическому явлению скоро стал причиной открытию клеточного механизма «природного» стохастического резонанса: активизация ионных каналов в мембране нейронов и, как следствие, увеличение чувствительности нервных окончаний. не сильный сигнал сам по себе неспособен преодолеть порог возбуждения нервных окончаний и потому не ощущается животными. Шум же «открывает» ионные каналы, и такие предварительно активизированные нейроны легче выполняют не сильный сигналы, повышая чувствительность чувствительных клеток животного.
Совсем сравнительно не так давно было найдено, что за счет стохастического резонанса улучшается эффективность многих нейрофизиологических процессов и у людей. К примеру, в 2002 году опыты Дж. Коллинза и его сотрудников из Бостонского университета убедительно продемонстрировали, что подпороговый тактильный шум (другими словами не сильный хаотичные вибрации, сами по себе неощутимые больным) способны обострять чувство баланса при ходьбе.
А это значит, что особая обувь с хаотически вибрирующей вкладкой в подошве может улучшить координацию пожилых людей либо людей с расстройствами баланса. Второе использование той же идеи — особые перчатки, создающие не сильный тактильный шум, — повысит чувствительность пальцев и окажет незаменимую помощь микрохирургу на протяжении операции.
Воистину редко какое открытие в теоретической физике находит столь яркие применения в повседневной судьбе!
***
Но возвратимся к ледниковым периодам. Сейчас под натиском более аккуратных данных и уточненных моделей ученые стали склоняться к мысли, что стотысячелетний цикл одним только колебанием эксцентриситета не растолковать. В 2004 году британские геофизики Маслин и Риджвелл в собственной статье, посвященной «развенчанию эксцентриситетного мифа», собрали воедино доводы и продемонстрировали, что настоящая значимость колебания эксцентриситета преувеличена: он не может быть основной обстоятельством цикличности оледенений.
Что же тогда приводит к этой периодичности? На сегодня это доподлинно не известно. Дело в том, что сейчас обнаружилось еще пара источников действия на климат, как земных, так и астрофизических. В частности, стало известно, что на земной климат смогут значительно влиять и космические лучи — потоки заряженных частиц, попадающих на Землю из глубокого космоса.
Модель, которая учитывала бы усредненный отклик земного климата на все эти эффекты, пока не выстроена.
На этом история не заканчивается. Совсем сравнительно не так давно стохастический резонанс, ставший уже надежно установленным явлением в физике, возвратился в климатологию.
В соответствии с свежим данным, на протяжении последнего ледникового периода время от времени происходили падения и резкие взлёты среднегодовой температуры, в особенности в северной части антлантического океана. Совсем необычным образом холодный и, казалось бы, устойчивый климат в северном полушарии внезапно разогревался на пара градусов, и несколько сотен лет в Северной Европе стояла неледниковая погода.
Климат Северной Атлантики определяет течение Гольфстрим. Оно переносит тепло впредь до Исландии, охлаждается, ныряет на дно Атлантического океана и возвращается к экватору в виде холодного глубоководного течения. Гольфстрим, как будто бы огромный вентилятор, перемешивает морские веса и не дает через чур очень сильно остыть Канаде и Европе.
Но на протяжении ледникового периода, как нашли в 2001 году геофизики Ганопольский и Рамсторф из Потсдама, эта циркуляция может происходить в двух режимах хрупкого равновесия. Тут и проявился стохастический резонанс: иногда изменяя один из параметров собственной модели — приток пресной воды в Северный Ледовитый океан — ученые видели, как в их модели перестраивались океанические течения и как быстро разогревалась либо остывала Европа. Переключение между этими двумя режимами приводили к прыжкам среднегодовой температуры на пара градусов всего за пара лет!
Стохастический резонанс светло говорит о том, что в природе существуют механизмы усиления возмущений, причем усиления не постепенного, накопительного, а резкого, «выбрасывающего» целый климат полностью из привычного состояния. В соответствии с последним изучениям, таковой скачок — вопреки экстраполяциям и наивным прогнозам — может случиться весьма скоро, на масштабах одного поколения.
***
Увлекательный урок, выясняется, преподнес нам стохастический резонанс! Мы привыкли, что из неразберихи ничего само собой не организуется и что шум заглушает порядок. Это не всегда так. В определенных условиях шум играется конструктивную роль, не подавляет, а усиливает внешние действия, соответственно, делает совокупность менее устойчивой.
Такое поведение характерно не только для сугубо «технических» устройств, но и для природы в целом.
То, что стохастический резонанс всё-таки не сработал для ответа исходной загадки, не должно нас расстраивать. Само явление уже надежно установлено и экспериментально открыто во многих совокупностях. Легко столь прямолинейное использование этого результата к ледниковым периодам, по-видимому, выяснилось неточностью — но, неточностью, породившей новое направление естествознания.
elementy.ru/lib/164581
