https://subscribe.ru/group/klub-lyubitelej-kosmosa/14620442/

 

Что такое флуктуации

Картинки по запросу фликкер-шум
фликкер-шум

Флуктуации (от лат. Fluctuatio – колебание) случайные отклонения наблюдаемых физических величин от их средних значений. Флуктуации возникают в любых системах,  состоящих из большого числа элементов. Описываются флуктуации методами теории вероятностей и математической статистики. Пример флуктуаций в такой системе – изменение числа молекул в фиксированном объеме газа в результате теплового движения. Другой пример – наблюдаемый в полупроводниках импульсный (взрывной) шум.

Расчёты показывают, что в системе, состоящей из большого числа элементов, флуктуации должны быть маленькими.  Однако если элементы системы обладают определенными свойствами (напр. способностью накапливать и высвобождать энергию), или если система воспринимает внешние воздействия, отклонения флуктуаций от среднего расчётного значения могут быть значительными. Это так называемые аномальные флуктуации.

Аномально большие флуктуации параметров могут возникать в системах самой разной природы: физико-химических, биологических, социальных. Для процессов в таких системах характерна закономерность “чем реже события, тем они сильнее”. При определенных условиях эти системы обладают высокой чувствительностью к внешним воздействиям, но их отклик на внешние воздействия неоднозначен. Если аномальные флуктуации возникают предпочтительно для некоторых предпочтительных частот, то они носят название «фликкер-шум» (Ф.ш.), или избыточный шум.

Ниже приводится фрагмент из статьи А.Г.Пархомова «Фликкер-шум» (http://www.chronos.msu.ru/old/TERMS/parkhomov_flikker.htm):

 

«Поразительно разнообразие объектов, в которых возникает Ф.ш. Это и недра Земли с землетрясениями, и горные массивы с камнепадами и снежными лавинами, и атмосфера с множеством происходящих в ней процессов, и Солнце с его активностью, и электронные приборы с электрическим шумом в области низких частот. Флуктуируют по закону Ф.ш. многие параметры, характеризующие ход процессов в физико-химических системах и живых организмах. Свойствами фликкер-шума обладают изменения числа особей в популяциях и социальная активность в человеческом сообществе.

Схожесть характера флуктуаций в столь разных объектах становится понятной, если выяснить, что же их объединяет. Это, прежде всего, многочисленность неодинаковых элементов, из которых они состоят. Многие из этих элементов способны накапливать энергию и высвобождать ее при достижении некоторого порога. Если нет внешних воздействий, выделение энергии в системах такого типа флуктуирует по закону Ф.ш.

Нетрудно понять, что такие системы могут обладать высокой чувствительностью к слабым воздействиям. В них часть элементов находится в предпороговом состоянии, когда достаточно небольшого толчка, чтобы накопленная энергия сбросилась. Когда этот толчок происходит, все предпороговые элементы сбрасывают свою энергию одномоментно, и энерговыделение в системе многократно превосходит обычное. Усиленное энерговыделение может стимулировать сброс энергии у элементов, более удаленных от порога, что лавинообразно увеличивает величину эффекта.

Это происходит, если система до воздействия смогла "наполнить" свои резервуары, т.е. достаточно долго была без ощутимых внешних воздействий. При наличии же внешних достаточно сильных и частых воздействий сброс энергии элементами происходит далеко от порога, и коллективное высвобождение энергии не происходит. Это и объясняет парадоксальное свойство систем с Ф.ш.: сильный отклик на слабые и редкие воздействия и малозаметный отклик на сильные и частые воздействия.

Под "энергией" можно подразумевать все, что способно накапливаться и высвобождаться. Это и носители заряда, захватываемые дефектами кристаллической решетки в полупроводниках, и снег на горных склонах, порождающий лавины, и изменения в литосфере, приводящие к землетрясениям, и многое другое. Накапливаться может и социальная напряженность. Рассмотрение человеческого сообщества как системы с Ф.ш. позволяет понять многие парадоксы в социуме. Например, почему мощная держава разрушилась от слабого толчка (она долго была изолирована от внешних воздействий), а слабая власть, свергнуть которую стремятся многие, может существовать много лет (частые, хотя и несильные, локальные встряски не позволяет элементам общества накапливать околопороговые напряжения и делает невозможным одномоментное широкомасштабное его высвобождение).

Системы, генерирующие Ф.ш., имеющие множество накапливающих энергию элементов, обладают следующими свойствами:

- зависимостью величины эффекта от частоты их повторения типа Ф.ш.: "слабые" события происходят часто, а "сильные" - редко;

- высокой чувствительностью к внешним воздействиям при условии, что таких воздействий перед этим не было достаточно долго. Геофизические и космические воздействия именно редкие и слабые, и неудивительно, что они проявляются в Ф.ш.;

- последействием: продолжительность отклика на внешнее воздействие может превышать продолжительность воздействия, после чего наступает "затишье" с пониженным уровнем флуктуаций и пониженной чувствительностью к воздействиям;

- "обратной" зависимостью силы отклика на повторяющиеся воздействия от силы воздействия. Чем сильнее воздействие, тем продолжительнее "затишье", поэтому повторные сильные воздействия могут вызвать сильную ответную реакцию только после достаточно продолжительной паузы. Если период повторения сильных воздействий меньше необходимой паузы, отклик на сильные воздействия может быть слабее, чем отклик системы на повторяющиеся с той же периодичностью более слабые воздействия;

- неодинаковостью отклика одинаково устроенных систем на одинаковые воздействия. Это свойство фликкер-шума связано с различными предысториями систем, в которых он возникает, и возможностью реализации различных направлений процессов в сложных системах.

Зная свойства систем, генерирующих фликкер-шум, можно понять сложный и неоднозначный характер их отклика на внешние воздействия, а также условия, при которых подобные устройства дают результаты, поддающиеся анализу, и могут быть использованы в качестве своеобразного детектора слабых воздействий. Для этого их надо как можно тщательнее изолировать от посторонних воздействий. До начала воздействий должно пройти время, достаточное для угасания переходных процессов и для записи "фонового" шумового сигнала. Сами воздействия должны быть кратковременными, интервал между ними должен быть достаточным для угасания последействия. Проведены успешные эксперименты с использованием таких детекторов для регистрации слабых воздействий неизвестной природы».

К вопросу о роли флуктуаций в космосе мы ещё вернёмся.