Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay

"Элементы": новости науки

Подписаться Бесплатная «Золотая» новостная рассылка Подписчиков 12.995 RSS
←   Декабрь 2006   →
 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
11.12.2006
10:09:01
16:51:04
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31


За последние 60 дней ни разу не выходила


Сайт рассылки: http://elementy.ru
Открыта: 09-05-2006

Автор
Редакция сайта "Элементы"

Статистика

12.995 подписчиков
-1 за неделю
←   Все выпуски   →

Открыто новое явление в физике сложных систем - резонанс, порожденный разнообразием


«Хронология далекого прошлого»

Хронология далекого прошлого

18 тысяч лет назад...
330 миллионов лет назад...
Откуда берутся эти цифры? Насколько им можно доверять?

Статья доктора биологических наук Александра Маркова открывает на «Элементах» раздел Методология науки

Открыто новое явление в физике сложных систем — резонанс, порожденный разнообразием

04.12.2006

Сеть из детектирующих элементов может выработать синхронный отклик даже на подпороговое внешнее воздействие при достаточно сильном шуме. На этой иллюстрации показана эволюция такой сети под действием слабого периодического воздействия. По горизонтальной оси отложен номер элемента сети, по вертикальной — время; цвет кодирует состояние элемента (0 или 1). В отсутствии шума столь четкого периодического отклика не наблюдается (изображение с сайта environ.spawar.navy.mil)
Сеть из детектирующих элементов может выработать синхронный отклик даже на подпороговое внешнее воздействие при достаточно сильном шуме. На этой иллюстрации показана эволюция такой сети под действием слабого периодического воздействия. По горизонтальной оси отложен номер элемента сети, по вертикальной — время; цвет кодирует состояние элемента (0 или 1). В отсутствии шума столь четкого периодического отклика не наблюдается (изображение с сайта environ.spawar.navy.mil)

Оптимальная беспорядочность, заложенная в сложной системе, может резко повысить ее чувствительность к слабым внешним воздействиям. Не исключено, что такой резонанс играет важную роль в био- и экосистемах.

Хаотическое воздействие, или попросту шум, обычно считается вредной помехой, препятствующей нормальному функционированию устройств. Физикам, однако, давно известно, что в определенных ситуациях шум может играть и конструктивную роль. Именно это происходит, например, при стохастическом резонансе, когда шум определенной мощности резко улучшает чувствительность системы к слабым внешним воздействиям. Другим примером такой ситуации является возможность подавления внутренних шумов с помощью внешних (см. заметку Шум борется с шумом).

Испанские физики, авторы недавней статьи C. Tessone et al., Physical Review Letters, 97, 194101 (6 November 2006), доступной также как cond-mat/0605082, на основании своих расчетов предсказали еще один эффект, целиком обязанный созидающей роли беспорядочности, — резонанс, порожденный разнообразием.

Обнаруженное явление отчасти похоже на стохастический резонанс, поэтому напомним вкратце его суть. Пусть есть некоторый триггер — детектирующий элемент, который под действием внешних периодических возмущений переключается из одного состояния в другое. У любой детектирующей системы есть порог чувствительности: слишком слабая внешняя сила не вызывает никакого отклика. Явление стохастического резонанса состоит в том, что в присутствии сильного шума чувствительный элемент начнет отслеживать даже подпороговое периодическое воздействие. Слово «резонанс» означает, что это явление избирательное: чувствительность к внешнему воздействию резко повышается только при шуме определенной «громкости».

Испанские физики предложили несколько видоизменить эту схему. Они рассмотрели не один, а множество чувствительных элементов, связанных друг с другом в максимальную сеть (то есть каждый связан с каждым). Внешняя сила действовала на каждый элемент, и если какой-то из них переключался, то он «тянул» за собой другие. Переключение большинства элементов означало, что сеть как целое отреагировала на внешнее воздействие.

Такие сети, конечно, изучались и раньше, но обычно они конструировались из идентичных элементов. Испанцы же заинтересовались тем, как изменится отклик сети, если параметры элементов будут слегка различаться. (Подчеркнем, что средние по всей сети параметры элементов были фиксированы, изменялась лишь величина разброса свойств элементов относительно среднего.) Привнесенное таким образом разнообразие в систему тоже можно представить как некую форму «шума», только на этот раз застывшего, «встроенного» в систему.

Авторы работы вывели уравнение, описывающее, как такая сеть откликается на слабые периодические внешние воздействия, и, проанализировав его, обнаружили примечательное явление. «Правильная сеть», состоящая из почти одинаковых элементов, откликалась на подпороговые внешние воздействия столь же слабо, как и единичный триггер. Сеть с чрезмерно большим разнообразием тоже плохо отслеживала внешнее возмущение, поскольку ее удерживал от этого слишком большой процент «неподатливых» элементов. Однако при оптимально подобранном разнообразии чувствительность сети возрастала, причем существенно — в десятки раз. Вся система целиком могла чувствовать гораздо более слабые возмущения, чем какой-нибудь один типичный триггер.

Авторы назвали обнаруженное явление резонансом, вызываемым разнообразием. Так же, как и в случае стохастического резонанса, ключевую роль здесь играет некая «оптимальная беспорядочность», правда «зашитая» в устройство сети. Можно сказать, что эта оптимальная беспорядочность как бы «мобилизует» детектирующую систему и позволяет ей генерировать сильный отклик даже на малейшие внешние воздействия. Благодаря ей отпадает необходимость накладывать внешний шум на слабый сигнал: оптимальный шум уже присутствует в устройстве сети.

Стохастический резонанс за 20 лет проделал путь от абстрактного открытия в теоретической физике до явления, которое не только, как оказалось, широко распространено в природе, но и уже нашло применение в современной медицине. Авторы статьи надеются, что и их открытие ожидают столь же радужные перспективы. В частности, в конце своей статьи они высказывают предположение, что разнообразие в био- и экосистемах могло быть специально настроено эволюцией для максимального усиления чувствительности к слабым внешним изменениям.

Игорь Иванов

Эта новость на «Элементах»
 

Предыдущие новости

02.12 «Вселенная, жизнь, разум» Шкловского вновь вышла после 20-летнего перерыва

Вышло 7-е издание знаменитой книги И. С. Шкловского «Вселенная, жизнь, разум», подготовленное к 90-летию со дня рождения выдающегося астрофизика и к 175-летию ГАИШ, в котором Шкловский проработал большую часть жизни. В издание с полностью обновленными иллюстрациями вошли ранее не публиковавшиеся материалы, а также рассказ о последних открытиях в астрофизике.

30.11 Как земноводные учились превращаться

У примитивных земноводных изменения строения животного при переходе от водной жизни к наземной были растянуты во времени. В ходе эволюции они сконцентрировались на коротком этапе индивидуального развития, что и привело к появлению настоящего метаморфоза. Отдельные преобразования постепенно перешли под контроль единого регулятора — гормонов щитовидной железы.

30.11 Люди отличаются от шимпанзе не тем, чем хотели

Сравнение геномов человека и шимпанзе в поисках генетической причины различий между их умственными способностями показало, что быстрой молекулярной эволюции генов нервной системы у человека не наблюдалось. Напротив, гены, участвующие в функционировании семенников, демонстрируют массовое и быстрое накопление благоприятных мутаций — как у человека, так и у шимпанзе.

29.11 Деньги воспитывают целеустремленных эгоистов

Команда экономистов и психологов, проведя серию экспериментов, показала, что одно лишь напоминание о деньгах приносит людям ощущение независимости и самодостаточности. Оборотной стороной этого явления оказался эгоизм: вспомнив о деньгах, испытуемые отказывались от помощи и переставали помогать другим.

28.11 Великое вымирание 250 миллионов лет назад привело к резкому усложнению морских экосистем

Статистический анализ 1176 палеонтологических коллекций подтвердил, что массовое вымирание на рубеже палеозойской и мезозойской эр привело к радикальному изменению структуры морских сообществ. В обновленных, более сложных и разнообразных сообществах стали преобладать подвижные животные, а экологические связи между видами стали более тесными.

28.11 Открыта полезная роль «вредных» активных форм кислорода

Считается, что активные формы кислорода (АФК), образующиеся как побочный продукт клеточного дыхания в митохондриях, повреждают белки, липиды и ДНК, приводя к старению клеток. Однако испанские ученые обнаружили, что АФК внутри клетки выполняют также важную компенсаторную сигнальную функцию, активируя синтез мтДНК и регулируя дыхательную активность клетки.

27.11 Разгадан механизм регенерации конечностей

Процесс регенерации утраченных конечностей сходен с их формированием во время эмбрионального развития. Включая и выключая определенные гены, можно не только отключить регенерацию у животных, способных к ней, но и включить ее у тех, которые эту способность потеряли. В частности, удалось включить процесс регенерации утраченного крыла у цыпленка.

27.11 Насколько опасно для квантовой системы взаимодействие с окружающим миром?

Оказывается, электронам тоже свойственно «чувство плеча»: многоэлектронная квантовая система гораздо лучше сопротивляется дестабилизирующему воздействию окружающего мира, чем одна-единственная квантовая частица.

23.11 Развитие червей начинается с хвоста

Германские биологи расшифровали механизм, управляющий делением клеток развивающегося эмбриона червя Caenorhabditis elegans. Оказалось, что одна из клеток эмбриона выделяет сигнальное вещество, которое заставляет остальные клетки делиться в определенном направлении. Та часть зародыша, где расположена клетка P2, становится его задним концом.
В избранное