Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
К. Циммер
«Микрокосм». Глава из книги


Р. Докинз
«Эгоистичный ген». Глава из книги


Е. Чернова
Хаос и порядок: фрактальный мир


У. Айзексон
«Инноваторы». Глава из книги


Н. Резник
Жираф большой, ему видней, и сам он хорошо заметен


М. Софер
Куда уходит лето?


С. Петранек
«Как мы будем жить на Марсе». Глава из книги


В. Мацарский
Разгневанный Эйнштейн и «темный» рецензент


Ник. Горькавый
Сказка о герцоге де Бройле, который открыл самые странные волны в мире


В. Аполлонов
Александр Михайлович Прохоров: к 100-летию со дня рождения







Главная / Новости науки версия для печати

Из чего состоит хаос?


Спонтанно возникающие хаотические узоры в биологической модели «хищник—жертва» являются проявлениями пространственно-временного хаоса (изображение из статьи УФН, т.172, вып.1, 2002, с.3)
Спонтанно возникающие хаотические узоры в биологической модели «хищник—жертва» являются проявлениями пространственно-временного хаоса (изображение из статьи УФН, т.172, вып.1, 2002, с.3)

Ресурсоемкие компьютерные вычисления американских физиков показали, что хаос действительно состоит из отдельных неделимых и слабо связанных «кирпичиков» хаоса. На подходе — теория динамического хаоса как газа «хаотических квантов».

Любая физическая теория начинается с определения главных степеней свободы в задаче: устанавливается, какие независимые величины, описывающие систему, надо принимать во внимание, а какие нет.

Обычно этот этап столь тривиален, что даже и не обсуждается. Например, при описании движения планет солнечной системы «правильными» степенями свободы являются координаты Солнца и планет. А то, что по Земле ходят люди, а на спутнике Юпитера Ио извергаются вулканы (это ведь тоже степени свободы!), для данной задачи совершенно не важно. А в атомной физике правильными степенями свободы являются отдельные атомы, и для решения этих задач не надо знать, что внутри атомных ядер как-то движутся протоны и нейтроны, а сами атомы принадлежат каким-то макроскопическим телам.

Однако выбор степеней свободы не всегда очевиден. В частности, при описании пространственно-временного хаоса физики столкнулись с редким случаем, когда поначалу казалось вообще непонятным, какие степени свободы главные, а какие — второстепенные. Жаркие дискуссии вокруг этого выбора продолжались свыше 20 лет, и только сейчас, благодаря опубликованной на днях статье американских физиков M. P. Fishman and D. A. Egolf, Physical Review Letters, 96, 054103 (8 February 2006), в этом вопросе, по-видимому, поставлена точка.

Стоит сразу отметить, что слова «хаос» и «хаотическая динамика» вовсе не означают «полную неразбериху». Динамический хаос означает лишь невозможность аккуратно предсказать отдаленное будущее системы, даже если ее «ближайшее будущее» описывается довольно точно. (Именно такими системами являются, например, земной климат и даже сама солнечная система.)

Обсуждаемый здесь пространственно-временной хаос означает, что в однородной поначалу среде спонтанно образуются непериодические узоры, которые беспорядочно мутируют с течением времени. Конкретная физическая реализация такого хаоса может быть самой различной. Например, это могут быть волны концентрации жертвы в биологической модели «хищник—жертва» (см. иллюстрацию) или конвекционные течения в подогреваемой снизу широкой и мелкой кювете.

Несмотря на неопределенность «в долгосрочной перспективе», немало информации можно всё же почерпнуть из ляпуновских экспонент — величин, характеризующих то, как именно в системе развивается хаос. Их анализ показывает, что хаосы бывают очень разными, и даже в одной и той же системе при изменении параметров возможны переходы от одного типа хаоса к другому.

Всё это наводит на мысль, что хаос тоже можно рассматривать как некую физическую систему, как условный газ «элементиков хаоса», в котором могут быть свои физические явления, например фазовые переходы вроде плавления или испарения. Правда, для этой картины надо прояснить суть этих «элементарных кирпичиков хаоса» или хотя бы научиться подсчитывать их число (т. е. число степеней свободы хаоса1) в каждом конкретном случае.

Вот эта-то задача долгое время и была камнем преткновения. С одной стороны, опыты показывали, что для хаоса важны и крупные вихри, и средние, и самые мелкие. При визуальном или статистическом анализе не получалось увидеть эти «элементарные кирпичики хаоса». С другой стороны, математический расчет показывал, что число хаотических степеней свободы растет пропорционально объему хаотической системы, словно в ней действительно в скрытом виде существуют «строительные блоки» хаоса определенного размера. С третьей стороны, недавно стали появляться сообщения, что эти кирпичики вроде как и не являются неделимыми (но какие это тогда «кирпичики»?).

Американские ученые провели серию очень ресурсоемких компьютерных расчетов и однозначно доказали неделимость «кирпичиков хаоса». Более того, из их вычислений следует, что весь хаос действительно можно рассматривать как «горячий газ слабо взаимодействующих элементов».

В качестве побочного результата они также объяснили происхождение малопонятного до сих пор явления — «окон периодичности» в хаотической системе. Согласно расчетам американцев, в системе «просыпается» периодичность, когда в ней точь-в-точь укладывается целое число кирпичиков хаоса.

Несмотря на то что все вычисления относятся к одной конкретной системе, авторы уверены, что они нашли универсальный закон, работающий для любой реализации пространственно-временного хаоса. И теперь, по-видимому, не за горами создание общей теории газа отдельных квантов хаоса.

Игорь Иванов


1 Малое количество хаотических степеней свободы означает, что система переходит к хаосу по вполне конкретному пути (к примеру, рождается вихрь определенного типа, который затем дробится определенным образом и т. д.), а их большое число означает, что хаос каждый раз развивается по непредсказуемому сценарию.


Комментарии (1)



Последние новости: ФизикаИгорь Иванов

23.09
LHCb открыл рекордно редкий адронный распад B-мезонов
22.09
Темп рождения прелестных адронов растет с энергией не так, как предсказывала теория
14.09
CMS выпустила статью про поиск двухфотонных резонансов
13.09
Отклонение, напоминавшее заряженный бозон Хиггса, исчезло
12.09
Коллайдер выполнил техническую программу-минимум на этот год
22.08
Наконец-то обнаружен аналог излучения Хокинга в холодном квантовом газе
21.08
ICHEP 2016: Тяжелых экзотических частиц по-прежнему не видно
20.08
Тяжелый пентакварк окончательно подтвержден
19.08
ICHEP 2016: Всплеск при 2 ТэВ закрыт
17.08
Спектроскопия мюонного дейтерия обострила проблему с радиусом протона

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Аркадий Курамшин, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Антон Морковин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Павел Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Александр Храмов, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия