Изменчивая музыка Вселенной. В. Е. Жвирблис.

О сайте Главная Гипотезы

По-видимому, эту изменчивую, но единую гармонию Вселенной и отражают гистограммы, которые вот уже тридцать с лишним лет скрупулезно рисует замечательный ученый – Симон Эльевич Шноль.
Продолжение о макроскопических флуктуациях. Начало см. Внешняя сила. С.Н. Катасонов.

Влияние космических факторов на процессы. Каких?..

Изменчивая музыка Вселенной

В. Е. Жвирблис

Каждый ученый, как бы бескорыстен он ни был, жаждет признания своих трудов. Но успех приходит не всегда, а если и приходит, то подчас спустя много лет после того, как исследование завершено и интерес к нему угас. И виноваты в этом чаще всего не злые дяди, а вполне объективные законы восприятия (вернее, неприятия) всего нового. Особенно - принципиально нового. А что касается необъяснимого (или необъясненного, что одно и то же, потому что читатели научных работ не любят объяснять чужие результаты), то здесь дело обстоит и вовсе из рук вон плохо.
Именно в этом и заключается причина, по которой явление макроскопических флуктуаций (МФ), обнаруженное профессором С. Э. Шнолем более тридцати лет назад (см. "Химию и жизнь", 1990, № 7, с. 16) и с удивительным упорством изучаемое им по сей день, до сих пор не получило объяснения, а вместе с ним – и заслуженного признания.

ШУМ ИЛИ НЕ ШУМ?

Главная причина скептического отношения к МФ заключается в том, что на первый взгляд они очень похожи на обычный шум, возникающий при любых измерениях из-за несовершенства аппаратуры и случайных ошибок, допускаемых экспериментатором. Но МФ должны чем-то отличаться от такого шума, потому что в ином случае вообще не о чем было бы говорить.
Характерная особенность "настоящего" (так называемого белого) шума заключается в том, что в нем можно встретить любые отклонения от среднего, вероятность которых определяется классическим распределением Гаусса (рис.1).

Рис. 1. Распределение амплитуд колебаний в белом шуме
(А - амплитула, Р(А) - плотность вероятности)

Это значит, что в белом шуме можно встретить колебания с любыми частотами и любыми фазами, причем во всем диапазоне частот, простирающемся от нуля до бесконечности, эти колебания имеют одну и ту же амплитуду (рис. 2).

Рис. 2. Частотный спектр белого шума
(f - частота)

Но в природе белый шум встречается скорее как исключение, чем как правило. Правилом служит так называемый фликкер шум (по-английски flicker значит "мерцание"), состоящий из набора колебаний, амплитуда которых обратно пропорциональна частоте (рис.3).

Рис. 3. Частотный спектр фликкер-шума

И если в белом шуме каждое последующее значение измеряемой величины совершенно никак не связано с предыдущим, то во фликкер-шуме между этими значениями существует вполне определенная, хотя и не абсолютно жесткая связь. Типичным примером фликкер-шума может служить музыка, лежащая где-то посередине между бесцветным шипением заезженной пластинки и ничего не выражающим звуком "ля" камертона.
Как и почему один и тот же фликкер-шум возникает в совершенно несходных природных явлениях (например шум в металлах и полупроводниках, колебаниях солнечной активности или электрической активности головного мозга) – никому до сих пор не известно, общей теории фликкер-шума не существует. И по несчастью (а может быть, по счастью?), обнаруженные Шнолем МФ как раз и имеют характер фликкер-шума.

ПОРТРЕТ ФЕНОМЕНА

Биолог, открыв какой-нибудь новый вид, начинает свою работу с того, что описывает его внешние признаки. С этого же начинает и физик-экспериментатор, неожиданно обнаруживший новое явление природы. Именно путь такого описания, называемый феноменологическим, и избрал биолог Шноль, волею судеб вторгшийся в область высокой физики.
МФ имеют характер фликкер-шума. Их гистограммы изрезаны, резко отличаются от классических форм и изменяются во времени. Гистограммы часто бывают похожи при измерениях в разных местах земного шара и даже в совершенно различных процессах. И наконец параметры МО коррелируют с некоторыми космофизическими явлениями – солнечной активностью, затмениями, вращением Земли.
Все эти признаки представляют собой, так сказать, сухой остаток от анализа миллионов измерений.
Но в чем заключается физический смысл сходства гистограмм? В чем заключается причина их закономерной эволюции во времени? Почему можно сравнивать между собой гистограммы процессов, постоянные времени которых различаются на много порядков? И почему прямые связи между МФ и космофизическими явлениями обнаруживаются лишь с большим трудом?

ЯВЛЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ

Шноль объясняет дискретность гистограмм тем, что все изучаемые им системы могут находиться лишь в некоторых выделенных, дискретных состояниях. Переходы между этими состояниями вовсе не обязаны быть согласованными во времени, и поэтому прямые связи между МФ различной природы, как правило, не наблюдаются. В один и тот же момент времени разные системы характеризуются набором дискретных состояний, находящихся в одинаковых пропорциональных соотношениях, но со временем согласованно изменяющихся под действием одной и той же внешней вынуждающей "силы" космофизического происхождения.
Не будем говорить о возможной природе этой "силы" (кстати, термин "сила" в данном случае используется, скорее, как образная характеристика, чем как физическое понятие). Сейчас важнее ответить на другой вопрос: могут ли совершенно различные системы иметь одинаковую структуру дискретных состояний или же у изрезанности гистограмм какое-то иное происхождение?
Маловероятно, чтобы внешнее воздействие было способно управлять самими состояниями, то есть внутренними свойствами систем, имеющих совершенно различную физическую природу. Скорее, оно может управлять колебательными процессами, происходящими в этих системах. А характерная особенность фликкер-шума заключается в том, что колебания, наблюдаемые на любых временных отрезках, оказываются совершенно однотипными, но их частоты простираются от нуля до бесконечности (рис. 4).

Рис. 4. Для фликкер-шума характерно то, что на любых стрелках времени колебания имеют подобный характер

Вместе с тем, любые реальные измерения выполняются не непрерывно, с бесконечно большим временным разрешением, а через конечные промежутки времени, величина которых определяется используемой методикой. Как может сказаться эта неизбежная дискретность процедуры измерений на результатах наблюдений природных шумов, в том числе и тех, изучению которых посвятил себя Шноль?

ШУМ НЕ ИЗ ШУМА

Представим себе, что мы имеем некий сложный колебательный процесс, который можно представить как набор элементарных колебаний (так называемых гармоник) с частотами, находящимися в определенных кратных соотношениях. Совершенно очевидно, что периодичность, с которой мы будем измерять амплитуды этих колебаний, определит и минимальную частоту колебаний, которую мы можем заметить: более высокие частоты будут "зарезаны", и поэтому колебания, которые мы получим в результате процедуры реальных измерений, вовсе не обязаны отражать истинную картину колебательного процесса (рис. 5).

Рис. 5. Если измерения колебательного процесса выполняются с малой разрешающей способностью, то первоначальная картина существенно искажается (светлая линия – исходный колебательный процесс: жирная линия – процесс, полученный в результате отсчетов, выполненных в моменты времени t1, t2, t3…)

Если частота, с которой мы выполняем измерения, соизмерима с одной из гармоник, то в результате мы вновь получим некий явно колебательный процесс. Но если эти частоты несоизмеримы (а это неизбежно и происходит в реальных условиях), то колебания, полученные в результате измерения, приобретут шумоподобный характер, невзирая на то, что в основе явления и лежит та же самая вполне определенная закономерность (рис.6).

Рис. 6. Пример колебательного процесса, измерения которого выполнялись с высоким временным разрешением (вверху), и тот же процесс при малом временном разрешении (внизу). Рисунок получен путем численного моделирования на ЭВМ

Иначе говоря, сама процедура измерения вносит в наблюдаемый колебательный процесс серьезные искажения, делает его совершенно неузнаваемым. И если при измерениях допускается хоть малейшая несинхронность между рядами параллельных отсчетов, то мы получим два совершенно внешне несходных ряда.
Самое замечательное заключается в том, что дискретность измерений очень мало сказывается на форме гистограмм: они получаются весьма похожими (рис.7), если исходный колебательный процесс слагается из одного и того же набора гармоник, Но если изменился набор исходных гармоник, то одинаково изменяются и формы гистограмм, полученных вне зависимости от того, с какой частотой выполнялись отсчеты.

Рис. 7. Гистограммы процессов, изображенных на рис. 6, имеют такой же сходный вид, как и гистограммы МФ: пики и провалы располагаются на одних и тех же местах

Представим себе, что мы играем одну и ту же пьесу, но только транспонировав ее в разные регистры, по-разному перемешав порядок звуков и по-разному пропуская те или иные аккорды. На первый взгляд, звучание пьесы, препарированной таким варварским образом, нам не узнать. Но вслушавшись внимательнее, мы обнаружим, что неизменной осталась общая гармония звучания. А если за основу мы возьмем какую-нибудь другую пьесу, то сразу же заметим эту подмену, даже невзирая на все искажения.
По-видимому, эту изменчивую, но единую гармонию Вселенной и отражают гистограммы, которые вот уже тридцать с лишним лет скрупулезно рисует замечательный ученый – Симон Эльевич Шноль.

Дата публикации: 19 сентября 2006 года

В начало

Источник информации: «Химия и жизнь», № 3, 1991, c. 30.
Электронная версия.

Главная • О сайте • Гипотезы