Раздел фізики, що вийшов із помилки

Раздел фізики, що вийшов із ошибки

Игорь Иванов Теория відносності Ейнштейна і квантова механіка — дві найбільших фізичних теорії ХХ століття — народилися з революційних ідей, моментально змінили фізику невпізнанно. Проте зовсім який завжди новий напрям у фізиці починається з такою революції. Буває, що непомітна спочатку ідея, запропонована до пояснень будь-якого приватного явища, поступово узагальнюється, можна знайти на все більшій кількості різноманітних ефектів, і, нарешті, стає універсальним законом природи. Потім може бути, що застосування цієї ідеї до вихідному приватному факту було невиправданим, але вже корисно розвиватися новому напрямку фізики та виникати його практичним применениям.

Об однієї такої історії — написав це оповідання.

Еще XIX століття було знайдено, що у геологічному минулому клімат Землі не залишався незмінним. Певний час тому значну частину материків північного півкулі займали льодовики, але й таке стан було завжди, а наставало періодично: земної клімат проходив через стадії льодовикових періодів. Принаймні вдосконалення методики вивченню минулого Землі вимальовувалася ясна картина: в останній мільйон років льодовикові періоди наставали приблизно кожні 100 тис років. Причина наступу і відступу льодовиків зрозуміла — загальна похолодання чи потепління клімату Землі. Але чому викликає ці глобальні зміни клімату і звідки ж береться ця стотысячелетняя периодичность?

Главнейший джерело тепла для Землі — це Сонце, отже, довгострокові коливання клімату викликаються, очевидно, зміною потоку сонячного тепла, яка на Землю. Саме Сонце світить стабільно, проте параметри земної орбіти поступово змінюються згодом. З курсу шкільної фізики відомо, що земля рухається навколо Сонця за злегка витягнутому еліпсу та, крім того, обертається навколо своєї осі, нахиленій під деяким кутом до площині орбіти. Всі ці параметри не залишаються постійними: земна вісь сама поволі обертається в просторі з періодом 27 тис. років, а кут її нахилу змінюється у невеликих межах з періодичністю 41 тис. років. Нарешті, витягнутість земної орбіти (ексцентриситет) теж злегка коливається. Приблизно кожних 100 тис. років орбіта Землі змінюється від зовсім круглої до трохи витягнутої і навпаки. Кожна з цих коливань призводить до невеличкому сезонному перерозподілу сонячного тепла між різними широтами, отже, впливає климат.

Взгляд ті, що числа відразу викликає підозра, причиною періодичності оледенений може бути коливання эксцентриситета. Але тут є одна неув’язка: ці коливання — найслабші із усіх перелічених вище. На слабкий періодичний сигнал накладаються значно сильніші і швидко міняються обурення: адже випадково змінюється рік у рік погода Землі на масштабі багатьох років тут просте як сильний, хаотичний «погодний шум». Які ж самому слабкому «зовнішньому сигналу» вдається крізь це шумовиння пробитися й, пересиливши й інші сигнали, «зазвучати сповна» на графіці оледенения?

Тут саме час, замість вгадувати, хто й потім впливає, скористатися методами теоретичної фізики та побудувати модель відгуку земного клімату на різні зовнішні впливи. Грамотно побудована модель сама відповість на наші питання.

В 1981 року дві групи фізиків — один на Римі під керівництвом Р. Бенци, інша — у Брюсселі, очолювана До. Николис, — незалежно друг від друга запропонували зосередитися загальних рисах поведінки клімату під одночасним впливом слабкого періодичного та образу сильної хаотичного впливів. Побудувавши просту математичну модель і вивчивши її, вони відкрили цілком разюче — і погляд навіть протиприродне — явище. Виявляється, шум певної інтенсивності як корисно, а навіть допомагає слабкому обуренню проявити себе у відгуку системи. Це одержало назву стохастичного резонансу. Слово «резонанс» означає тут несподівано сильний відгук системи, а «стохастический» відбиває те що, що причиною такого ефекту — хаотичне вплив, шум.

Суть цього явища настільки проста, що яку можна викласти без єдиної формули. У стані «льодовикового рівноваги» площа оледенений рік у рік залишається постійної. Звісно, льодовики зменшуються влітку, і відновлюються взимку, але важливим є значення, усереднений протягом року. Виявляється, є дві досить стійких ситуації: максимальне і мінімальну зледеніння. При максимальному оледенении Земля виглядає з космосу білої, отже, вона відбиває більшість падаючих її у сонячних променів і сонячного тепла, і не дає розтанути великим льодовикам. Інше стан клімату також стабільно: якщо оледенений майже немає, то Земля виглядає темній, поглинає багато сонячного тепла, і не дає утворюватися новим глобальним оледенениям. Різниця в температурі між «холодної» і «теплою Землею» значно — порядку 10 градусів. Уявіть собі, хіба що вам велось у вашому рідному місті, якби температура повітря було завжди на 10 градусів ниже!

Под дією зовнішніх обурень «льодовикове рівновагу» перестає бути абсолютно стійким. Оскільки «погодний шум» — явище випадкове, цілком можливо, що абсолютно випадково кілька років поспіль у внаслідок різних причин Землі буде спостерігатися незвичайно сильне похолодання. Щозими льодовики будуть розростатися, не встигаючи розтанути влітку, кілька днів покриють помітну частина земної поверхні, і тоді виявиться, що клімат перебуває у холодній фазі. Аналогічно, з допомогою самих лише випадкових, але досить сильних шумів, може бути зворотний перескок з холодної фази в теплу: все, що потрібно, — це почекати деяке время.

Слабое періодичне вплив призводить до того, що протягом половини періоду (а це тисячі років) середньорічний потік тепла стає трохи більше, а протягом іншого полупериода — трохи менше. Але це вплив слабка й саме собою льодовикові льоди не розтопить. У фізиці таке обурення називається подпороговым: сила менше від порога, яке необхідне перескока системи вже з стану до іншого. І це коли ці дві впливу — гомін лісу і періодичний подпороговый сигнал — працюють разом, тут і виникає резонанс. Потужність шумів і період сигналу можна підібрати в такий спосіб, що вони почнуть «співпрацювати»: шум хіба що допомагає системі «дозріти» для перескока до іншого стійке стан, а слабеньке прикладене вплив підштовхує їх у потрібну, задає темп перескоків. Періодичне вплив дуже слабке, але саме він ж виконує функцію «диригента» глобальних оледенений.

Итак, спільну дію сильного шуму й слабкого обурення певного періоду призводить до появи чітко помітного періодичного відгуку, який повторює слабке обурення, але багаторазово посиленого шумами. Разючий симбіоз начебто несумісних явищ!

Таким чином, земної клімат — якась система, що під одночасним впливом сильних хаотичних і слабких періодичних сил регулярно «переключається» між двома щодо стійкими станами. Нині можна зробити стандартного теоретичної фізики перехід: забути про конкретну ситуацію (Земля, клімат, льодовики) і сфокусуватися на найзагальніших рисах явища. Мовою теоретичної фізики побудована модель називається стохастичну бистабильная система з вынуждающей силою. Читача, добравшегося до цих рядків, такі терміни не повинні испугать.

Раз стохастический резонанс можна сформулювати у такому загальних термінах, то виникає бажання знайти його прояви й у деяких бистабильных системах. Спочатку, щоправда, здавалося, що знайдене «на кінчику пера» явище занадто вже штучно, проте наприкінці 1980;х років одне одним почали з’являтися повідомлення нагляд такий «протиприродної дружби» шуму й періодичного впливу на найрізноманітніших системах. Тут і електричні ланцюга, і лазери, і магнітні системи, і напівпровідникові устрою. Одне слово, народжувалося і бурхливо розвивалося новий напрям у физике.

Интересно, що у недалекому майбутньому, коли сверхминиатюрная електроніка вийде з наукових лабораторій і став доступна масовому користувачеві, стохастический резонанс може бути важливою її невід'ємною частиною. Наприклад, 2003 року дослідники з університету Південної Каліфорнії виявили це явище в перспективних «кирпичиках» наноелектроніки майбутнього — в вуглецевих нанотрубках (довгих циліндричних каркасних молекулах, повністю які з вуглецю). Транзистори, виконані в одній нанотрубке, виявилися здатні реєструвати слабші зашумленные сигнали, ніж очікувалося спочатку! Інший приклад дають нейронные мережі — електронні устрою, здатні ефективно обробляти величезні обсяги інформації. У цих мережах стохастический резонанс буде виявлятися як поліпшеною провідності зашумленной інформації та синхронізації процесів, які відбуваються у різних частинах мережі. Дослідження свідчать, що обидві цих явища можна використовувати при конструюванні мережі. Нарешті, в останні роки виникла ціла низка повідомлень про успішному використанні стохастичного резонансу при обробці сигналів і комп’ютерному розпізнаванні изображений.

Пожалуй, дуже драматичним моментом історія стохастичного резонансу стало усвідомлення той факт, що природа віддавна взяла його за озброєння. У 1996 року американці Левін і Міллер, вивчаючи поведінка звичайного цвіркуна, виявили, що чутливість його рецепторів зростала при накладення шумів певної гучності. Стохастический резонанс допомагав цвіркуну краще вловлювати слабкі синхронні коливання повітря й вчасно впізнавати наближення хижака! Аналогічні досліди, проведені у 1999 року групою Ф. Мосса в Сент-Луїсі, показали, що це ж явище використовує і риба веслонос для полювання на дафній: вона уловлює слабкі синхронні коливання електричних полів у питній воді завдяки електричним ж шумів і дізнається про близькості своєї добычи.

Огромный інтерес фізіологів до нового фізичному явища швидко призвів до відкриттю клітинного механізму «природного» стохастичного резонансу: активізація іонних каналів в мембрані нейронів як наслідок, підвищення чутливості нервових закінчень. Слабкий сигнал сам собою нездатний подолати поріг порушення нервових закінчень і тому не відчувається тваринами. Шум ж «відкриває» іонні канали, і ті попередньо активізовані нейрони легше проводять слабкі сигнали, підвищуючи сприйнятливість чутливих клітин животного.

Совсем нещодавно виявлено, за рахунок стохастичного резонансу поліпшується ефективність багатьох нейрофізіологічних процесів і в людей. Наприклад, 2002;го року експерименти Дж. Коллінза та його колег з Бостонського університету переконливо показали, що подпороговый тактильний шум (тобто слабкі безладні вібрації, власними силами невідчутні пацієнтом) здатні загострювати почуття балансу при ходьбі. І це отже, що спеціальна взуття з хаотично вібруючому вкладкою в підошві може поліпшити координацію осіб похилого віку чи людей розладами балансу. Інше застосування тієї ж ідеї — спеціальні рукавички, створюють слабкий тактильний шум, — підвищить чутливість пальців і надасть незамінну допомогу микрохирургу під час операции.

Поистине рідко яке відкриття теоретичній фізиці знаходить настільки безпосередні застосування у повсякденному житті!

Но повернемося до льодовиковим періодам. Останніми роками під тиском більш акуратних даних, і уточнених моделей вчені схиляються до думки, що стотысячелетний цикл самим коливанням эксцентриситета не пояснити. В лютому 2004 року англійські геофізики Олив і Риджвелл у статті, присвяченій «розвінчанню эксцентриситетного міфу», зібрали воєдино аргументи й виявили, що таке реальна значимість коливання эксцентриситета перебільшена: вона може бути головною причиною циклічності оледенений.

Что ж і викликає цю періодичність? Сьогодні це достеменно не відомо. Річ у тім, що у останнім часом виявилося ще кілька джерел на клімат, як земних, і астрофізичних. У частковості, з’ясувалося, що у земної клімат може істотно впливати і космічні промені — потоки заряджених частинок, потрапляють на Землю з глибокої космосу. Модель, яка б усереднений відгук земного клімату попри всі ці ефекти, доки построена.

На цьому історія не закінчується. Нещодавно стохастический резонанс, став вже надійно встановленим явищем у фізиці, повернулося на климатологию.

Согласно свіжим даним, під час останньої льодовикової періоду іноді відбувалися різкі злети спади середньорічний температури, особливо у Північної Атлантиці. Цілком дивним чином холодний і, начебто, стійкий клімат північній півкулі раптом розігрівали сталася на кілька градусів, і кілька сотень років у Північної Європи стояла неледниковая погода.

Климат Північної Атлантики визначає протягом Гольфстрім. Воно переносить тепло до Ісландії, охолоджується, пірнає на дно в Атлантичному океані і повертається до до екватору як холодного глибоководного течії. Гольфстрім, як гігантський вентилятор, перемішує морські є і це не дає дуже охолонути Європі і Канаді. Проте під час льодовикового періоду, як знайшли у 2001 року геофізики Ганопольський і Рамсторф з Потсдама, ця циркуляція може статися у двох режимах тендітного рівноваги. Ось і проявився стохастический резонанс: періодично змінюючи одне із параметрів свою модель — приплив прісної води в Північний Льодовитий океан — вчені бачили, як і їх моделі перебудовувалися океанічні течії як і різко розігрівалася чи холонув Європа. Перемикання між двома режимами призводили до стрибків середньорічний температури сталася на кілька градусів всього кілька лет!

Стохастический резонанс унаочнює, що у природі існують механізми посилення обурень, причому посилення не поступового, накопичувального, а різкого, «выбрасывающего» весь клімат повністю зі звичного стану. Відповідно до останніх досліджень, такий стрибок — всупереч наївним прогнозів та экстраполяциям — може відбутися нас дуже швидко, на масштабах одного покоління.

Интересный урок, виявляється, підніс нам стохастический резонанс! Ми звикли, що з плутанини нічого звісно ж не організується І що шум заглушає порядок. Це не так. У певних умов шум грає конструктивну роль, не придушує, а посилює зовнішні впливи, отже, робить систему менш стійкою. Така поведінка характерно як для суто «технічних» пристроїв, але й природи в целом.

То, що стохастический резонанс усе ж не спрацював на вирішення вихідної загадки, на повинен нас засмучувати. Саме явище вже надійно встановлено й експериментально відкрито у багатьох системах. Просто настільки прямолінійне застосування цього ефекту до льодовиковим періодам, очевидно, виявилося помилкою — втім, помилкою, породила новий напрям естествознания.

Список литературы

Для підготовки даної праці були використані матеріали із російського сайту internet.