Розділ фізики, що вийшов із помилки

Теорія відносності Ейнштейна і квантова механіка – дві найзначніших фізичних теорії XX століття – народилися з революційних ідей, моментально змінили фізику до невпізнання. Однак далеко не завжди новий напрямок у фізиці починається з такої революції. Буває, що непомітна спочатку ідея, запропонована для пояснення будь-якого часткового явища, поступово узагальнюється, виявляється у все більшій кількості різноманітних ефектів, і, нарешті, стає універсальним законом природи. Потім може виявитися, що застосування цієї ідеї до вихідного часткового факту було невиправданим, але це вже не заважає розвиватися новому напрямку фізики та виникати його практичним застосуванням.

Про одну таку історію – ця розповідь.

***

Ще в XIX столітті було виявлено, що в геологічному минулому клімат Землі не залишалася незмінним. Якийсь час назад значну частину материків північної півкулі займали льодовики, але і такий стан був не завжди, а наставав періодично: земний клімат проходив через стадії льодовикових періодів. У міру вдосконалення методики вивчення минулого Землі вимальовувалася ясна картина: за останній мільйон років льодовикові періоди наступали приблизно кожні сто тисяч років. Причина настання і відступу льодовиків зрозуміла – це загальне похолодання чи потепління клімату Землі. Але що викликає ці глобальні зміни клімату і звідки береться ця столітня періодичність?

Найголовніший джерело тепла для Землі – це Сонце, а отже, довготривалі коливання клімату викликаються, мабуть, зміною потоку сонячного тепла, що потрапляє на Землю. Саме Сонце світить стабільно, однак параметри земної орбіти поступово змінюються з часом. З курсу шкільної фізики відомо, що Земля рухається навколо Сонця по злегка витягнутому еліпсу і, крім того, обертається навколо своєї осі, нахиленої під деяким кутом до площини орбіти. Всі ці параметри не залишаються постійними: земна вісь сама повільно обертається в просторі з періодом 27 тис. років, а кут її нахилу змінюється в невеликих межах з періодичністю 41 тис. років. Нарешті, витягнутість земної орбіти (ексцентриситет) теж злегка коливається. Приблизно кожні 100 тис. років орбіта Землі змінюється від зовсім круглої до трохи витягнутої і назад. Кожне з цих коливань призводить до невеликого сезонному перерозподілу сонячного тепла між різними широтами, а значить, впливає на клімат.

Погляд на наведені цифри відразу наводить на підозру, що причиною періодичності обледеніння можуть бути коливання ексцентриситету. Але тут є одна проблема: ці коливання – найслабші з усіх перерахованих вище. На слабкий періодичний сигнал накладаються набагато сильніші і швидко мінливі збурення: адже випадково змінюється рік від року погода на Землі на масштабі багатьох тисяч років виглядає просто як сильний, хаотичний «погодний шум». Як же найслабкішому «зовнішньому сигналу» вдається крізь цей шум пробитися і, пересиливши й інші сигнали, «зазвучати на повну силу» на графіку заледеніння?

Тут саме час, замість того щоб вгадувати, хто і на що впливає, скористатися методами теоретичної фізики і побудувати модель відгуку земного клімату на різні зовнішні впливи. Грамотно побудована модель сама відповість на наші запитання.

***

У 1981 році дві групи фізиків – одна в Римі під керівництвом Р. Бенці, інша в Брюсселі, очолювана К. Ніколіс, – незалежно один від одного запропонували зосередитися на загальних рисах поведінки клімату під одночасним впливом слабкого періодичного і сильного хаотичного впливів. Побудувавши просту математичну модель і вивчивши її, вони відкрили абсолютно вражаюче – і на перший погляд навіть протиприродне – явище. Виявляється, шум певної інтенсивності не тільки не заважає, а навіть допомагає слабкому обуренню проявити себе у відгуку системи. Це явище отримало назву стохастичного резонансу. Слово «резонанс» означає тут несподівано сильний відгук системи, а «стохастичний» відображає той факт, що причина такого ефекту – хаотичне вплив, шум.

Суть цього явища настільки проста, що її можна викласти без єдиної формули. У стані «льодовикової рівноваги» площа льодовиків з року в рік залишається незмінною. Звичайно, льодовики зменшуються влітку і відновлюються взимку, але важливим є саме значення, усереднене за рік. Виявляється, є дві досить стійких ситуації: максимальне і мінімальне заледеніння. При максимальному заледенінні Земля виглядає з космосу білою, а значить, вона відбиває більшість падаючих на неї сонячних променів і сонячного тепла, і це не дає розтанути великим льодовиках. Інший стан клімату також стабільний: якщо заледеніння майже немає, то Земля виглядає темною, поглинає багато сонячного тепла, і це не дає утворюватися новим глобальним заледенінням. Різниця в температурі між «холодною» і «теплою Землею» значна – близько 10 градусів. Уявіть собі, як би вам жилося в вашому рідному місті, якби температура повітря була завжди на 10 градусів нижче!

Під дією зовнішніх збурень «льодовикова рівновага» перестає бути абсолютно стійкою. Оскільки «погодний шум» – явище випадкове, не виключено, що абсолютно випадково кілька років поспіль в силу різних причин на Землі буде спостерігатися незвичайно сильне похолодання. Щозими льодовики будуть розростатися, не встигаючи розтанути влітку, через деякий час покриють помітну частину земної поверхні, і тоді виявиться, що клімат знаходиться вже в холодній фазі. Аналогічно, за рахунок одних тільки випадкових, але досить сильних шумів, можливий і зворотний перескок з холодної фази в теплу: все, що потрібно, – це почекати деякий час.

Слабкий періодичний вплив призводить до того, що протягом половини періоду (а це багато тисяч років) середньорічний потік тепла стає трохи більшим, а протягом іншого напівперіоду – трохи менше звичайного. Однак цей вплив слабкий і сам по собі льодовикові льоди не розтопить. У фізиці таке збурення називається підпороговим: його сила менша того порога, який необхідний для перескоку системи з одного стану в інший. А ось коли ці два впливу – шум і періодичний підпороговий сигнал – працюють разом, тут-то і виникає резонанс. Потужність шумів і період сигналу можна підібрати таким чином, що вони почнуть «співпрацювати»: шум як би допомагає системі «дозріти» для перескоку в інший стійкий стан, а слабкий прикладений вплив підштовхує її в потрібний момент, задає темп перескоків. Періодичний вплив дуже слабкий, але сам він відіграє роль «диригента» глобальних охолоджень.

Отже, спільна дія сильного шуму і слабкого збурення певного періоду призводить до появи чітко помітного періодичного відгуку, який повторює слабке збурення, але багаторазово посиленого шумами. Вражаючий симбіоз здавалося б несумісних явищ!

***

Таким чином, земний клімат – це якась система, яка під одночасним впливом сильних хаотичних і слабких періодичних сил регулярно «переключається» між двома відносно стійкими станами. Тепер можна зробити стандартний для теоретичної фізики перехід: забути про конкретну ситуацію (Земля, клімат, льодовики) і сфокусуватися на найзагальніших рисах явища. Мовою теоретичної фізики побудована модель називається стохастична бістабільна система із вимушуючою силою. Читача, що дістався до цих рядків, такі терміни вже не повинні налякати.

Раз стохастичний резонанс можна сформулювати в таких загальних термінах, то виникає бажання знайти його прояви і в інших бістабільних системах. Спочатку, правда, здавалося, що виявлене «на кінчику пера» явище надто вже штучне, однак до кінця 1980-х років одне за одним почали з’являтися повідомлення про спостереження такої «протиприродної дружби» шуму і періодичного впливу в самих різних системах. Тут були і електричні ланцюги, і лазери, і магнітні системи, і напівпровідникові прилади. Одним словом, народжувалося і бурхливо розвивалося новий напрямок у фізиці.

Цікаво, що вже в найближчому майбутньому, коли надмініатюрна електроніка вийде з наукових лабораторій і стане доступна звичайним користувачам, стохастичний резонанс може виявитися важливою її частиною. Наприклад, в 2003 році дослідники з Університету Південної Каліфорнії виявили це явище в найперспективніших «цеглинках» наноелектроніки майбутнього – в вуглецевих нанотрубках (довгих циліндричних каркасних молекулах, що цілком складаються з вуглецю). Транзистори, виконані на одній нанотрубці, виявилися здатні реєструвати слабші зашумлені сигнали, ніж очікувалося спочатку! Інший приклад дають нейронні мережі – електронні пристрої, здатні ефективно обробляти величезні обсяги інформації. У таких мережах стохастичний резонанс буде проявлятися у вигляді поліпшеної провідності зашумленной інформації і синхронізації процесів, які відбуваються в різних частинах мережі. Дослідження показують, що обидва цих явища можна використовувати при конструюванні мережі. Нарешті, в останні роки з’явилася низка повідомлень про успішне використання стохастичного резонансу при обробці сигналів і комп’ютерному розпізнаванні зображень.

Мабуть, найдраматичнішим моментом в історії стохастичного резонансу стало усвідомлення того факту, що природа вже давно взяла його на озброєння. У 1996 році американці Левін і Міллер, вивчаючи поведінку звичайного цвіркуна, виявили, що чутливість його рецепторів зростала при накладенні шумів певної гучності. Стохастичний резонанс допомагав цвіркуну краще вловлювати слабкі синхронні коливання повітря і вчасно дізнаватися про наближення хижака! Аналогічні досліди, проведені в 1999 році 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 воді завдяки електричним шумам і дізнається про близькість своєї здобичі .

Величезний інтерес фізіологів до нового фізичного явища швидко привів до відкриття клітинної механізму «природного» стохастичного резонансу: активізація іонних каналів в мембрані нейронів і, як наслідок, підвищення чутливості нервових закінчень. Слабкий сигнал сам по собі не здатен подолати поріг збудження нервових закінчень і тому не відчувається тваринами. Шум ж «відкриває» іонні канали, і такі попередньо активізовані нейрони легше проводять слабкі сигнали, підвищуючи сприйнятливість чутливих клітин тварини.

Зовсім недавно було виявлено, що за рахунок стохастичного резонансу поліпшується ефективність багатьох нейрофізіологічних процесів і у людей. Наприклад, в 2002 році експерименти Дж. Коллінза і його колег з університету Бостона переконливо показали, що підпороговий тактильний шум (тобто слабкі безладні вібрації, самі по собі невідчутні пацієнтом) здатні загострювати почуття балансу при ходьбі. А це означає, що спеціальне взуття з хаотично вібруючою вкладкою в підошві може поліпшити координацію літніх людей або людей з розладами балансу. Інше застосування тієї ж ідеї – спеціальні рукавички, створюють слабкий тактильний шум, – підвищить чутливість пальців і надасть незамінну допомогу мікрохірурга в ході операції.

Воістину рідко яке відкриття в теоретичній фізиці знаходить настільки безпосередні застосування в повсякденному житті!

***

Але повернемося до льодовикових періодів. В останні роки під натиском більш акуратних даних і уточнених моделей вчені схиляються до думки, що стотисячолітній цикл одним лише коливанням ексцентриситету не пояснити. У 2004 році англійські геофізики Маслин і Ріджвелл в своїй статті, «розвінчання ексцентриситетного міфу», зібрали воєдино аргументи і показали, що реальна значимість коливання ексцентриситету перебільшена: він не може бути головною причиною циклічності заледенінь.

Що ж тоді викликає цю періодичність? На сьогоднішній день це достеменно не відомо. Справа в тому, що останнім часом виявилося ще кілька джерел впливу на клімат, як земних, так і астрофізичних. Зокрема, з’ясувалося, що на земний клімат можуть істотно впливати і космічні промені – потоки заряджених частинок, що потрапляють на Землю з глибокого космосу. Модель, яка враховувала б усереднений відгук земного клімату на всі ці ефекти, поки не побудована.

На цьому історія не закінчується. Зовсім недавно стохастичний резонанс, став вже надійно встановленим явищем у фізиці, повернувся в кліматологію.

Згідно зі свіжими даними, в ході останнього льодовикового періоду іноді відбувалися різкі злети і падіння середньорічної температури, особливо в Північній Атлантиці. Абсолютно дивним чином холодний і, здавалося б, стійкий клімат в північній півкулі раптом розігрівали на кілька градусів, і пару сотень років в Північній Європі стояла нельодовита погода.

Клімат Північної Атлантики визначає течія Гольфстрім. Вона переносить тепло аж до Ісландії, охолоджується, пірнає на дно Атлантичного океану і повертається до екватора у вигляді холодної глибоководного течії. Гольфстрім, немов гігантський вентилятор, перемішує морські маси і не дає занадто сильно охолонути Європі і Канаді. Однак під час льодовикового періоду, як виявили в 2001 році геофізики Ганопольский і Рамсторф з Потсдама, ця циркуляція може відбуватися в двох режимах тендітної рівноваги. Тут і проявився стохастичний резонанс: періодично змінюючи один з параметрів своєї моделі – приплив прісної води в Північний Льодовитий океан – вчені бачили, як в їх моделі перебудовувалися океанічні течії і як різко розігрівалася або остигала Європа. Перемикання між цими двома режимами призводили до стрибків середньорічний температури на кілька градусів всього за кілька років!

Стохастичний резонанс ясно показує, що в природі існують механізми посилення збурень, причому підсилення не поступове, накопичувальне, а різке, яке «викидає» весь клімат цілком зі звичного стану. Згідно з останніми дослідженнями, такий стрибок – всупереч наївним прогнозам та екстраполяціям – може статися дуже швидко, на масштабах одного покоління.

***

Цікавий урок, виявляється, підніс нам стохастичний резонанс! Ми звикли, що з плутанини нічого само собою не організовується і що галас заглушає порядок. Це не завжди так. У певних умовах шум грає конструктивну роль, не пригнічує, а посилює зовнішні впливи, а значить, робить систему менш стійкою. Така поведінка характерна не тільки для суто «технічних» пристроїв, але і для природи в цілому.

Те, що стохастичний резонанс все-таки не спрацював для вирішення вихідної загадки, не повинно нас засмучувати. Саме явище вже надійно встановлено і експериментально відкрито в багатьох системах. Просто настільки прямолінійне застосування цього ефекту до льодовиковим періодам, очевидно, виявилося помилкою – втім, помилкою, породила новий напрям природознавства.

Першоджерело

Leave a Reply