Аплодисменты как мера хаоса…

Представьте себя в концертном зале. Напряженная тишина. И вдруг она взрывается шквалом аплодисментов после выступления популярного певца или музыканта. Казалось бы, что в том удивительного? Для нас с вами ничего. Но, оказывается, физик с воображением может уловить в этом некую аналогию с… Большим взрывом!

Группа исследователей из США, Венгрии и Румынии к такому заключению и пришла, опубликовав недавно обстоятельную статью во всемирно известном научном журнале «Нейчур».

Итак, грянул шквал аплодисментов. Что происходит дальше?

Оказывается, это во многом зависит от того, где, в какой стране проходит концерт. Индивидуалисты американцы похлопают еще немного да и разойдутся. А вот европейцы, в особенности жители Восточной Европы, могут организовать и овацию. Это когда аплодирующие начинают как бы самоорганизовываться и принимаются хлопать в такт, синхронно.

Почему так происходит? Попытка проанализировать это явление привела к довольно любопытным результатам. Прежде всего оказалось, что математически модель синхронизации аплодисментов вписывается в так называемую модель спаренных осцилляторов. При этом исследователи выделили в аплодисментах две фазы. Первая, быстрая, наступает тотчас после окончания выступления артиста или даже с последними тактами музыкального произведения. Затем наступает очередь второй фазы. Частота хлопков снижается примерно наполовину, зато они приобретают строгую синхронность и могут продолжаться куда дольше первоначальных беспорядочных всплесков.

«В первой фазе каждый индивидуум ведет себя сообразно своему темпераменту, настроению и привычкам, — отмечают ученые. — А вот во второй фазе вариации ритмов практически равны нулю».

Когда к этому явлению применили математическую модель синхронизации, разработанную японским физиком Юшики Куромото, то она показала: если разброс ритмов весьма широк, как это бывает при быстрых аплодисментах, никакая синхронизация невозможна. Но стоит лишь темпу снизится, как в нем выделяется ведущая волна. Более того, в этих условиях синхронизация становится практически неизбежной.

«Возможно, мы имеем перед собой наиболее наглядный пример синхронизации ритмов в природе, — замечает по этому поводу преподаватель прикладной математики в Корнельском университете, профессор Стивен Строгат. — Но вообще синхронизация в природе — далеко не редкость. Первое, что мне приходит в голову, — мысль об организованной работе многих тысяч клеток пейсмейкеров в сердце, каждая из которых порождает свой электрический разряд».

Более того, синхронизация вообще присуща природе, и не только живой. Например, голландский математик, механик и астроном Христиан Гюйгенс, живший в XVII веке, отмечал, что колебания маятников в нескольких часах, висящих в одной комнате, довольно скоро приходят к единому ритму. Сам он, кстати изобретший маятниковые часы, объяснил их загадочное поведение тем обстоятельством, что вибрации передаются по стенам помещения и в конце концов приводят маятники в резонанс.

Но может ли сам собой навестись порядок в комнате подростка, где царит известный беспорядок? Вы скажете, что навряд ли, если, конечно, в ситуацию не вмешается некая высшая сила в лице, например, мамы, которая произведет генеральную уборку или заставит сделать то же своего сына.

О том же вроде говорит и второй закон термодинамики, который в общем случае гласит, что энтропия, то есть мера беспорядка, может только увеличиваться, но не уменьшаться.

И тем не менее, недавно ученые всерьез задумались о том, как при некоторых условиях хаос все-таки можно повернуть вспять…

«Вспомните хотя бы, как образовалась наша Вселенная, — пишут авторы статьи. — После Большого взрыва в ней царил настоящий хаос. Однако со временем все самоорганизовалось или структурировалось: из беспорядочного облака частиц и излучений образовалась материя, затем из нее конденсировались первые галактики, звездные и планетные системы. Наконец, образовались сами планеты, на которых, в свою очередь, зародилась высшая форма самоорганизации — жизнь и даже разум. (По крайней мере, хотя бы один наглядный пример тому мы имеем перед глазами.)».

Как это могло произойти?

Люди верующие говорят, что тут не обошлось без чуткого руководства всемогущей руки Всевышнего. Ученые-материалисты пытаются отыскать иное объяснение. Они полагают, что природе при некоторых условиях все-таки свойственна самоорганизация. В любом беспорядке, хаосе есть своя скрытая структура, надо только суметь ее обнаружить.

Вспомните хотя бы хрестоматийный пример из математики. Любую кривую можно разложить на ряд гармонических составляющих и описать их формулами. Стало быть, в мире заложено скрытое стремление к порядку, как в том примере с аплодисментами.

«Впрочем, — пишут авторы статьи в «Нейчуре», — можно в заключение отметить, что синхронизация аплодисментов длится не так уж долго и может быть вскоре нарушена. Но через некоторое время ритм синхронизуется снова. И так происходит несколько раз. Синхронизацию нарушают энтузиасты-анархисты, которым совместные аплодисменты кажутся недостаточным выражением их восторга, и они пытаются навязать толпе свой ритм. Но вскоре всеобщий порядок заставляет и их подчиниться»…

«Ритм аплодисментов может поддерживаться весьма долго лишь при полном отсутствии в зале энтузиастов, — добавляет один из авторов статьи — И. Барабаси, с большим трудом эмигрировавший в 1983 году из Румынии. Уж он-то помнит, какими овациями был вынужден награждать румынский народ диктатора Чаушеску и его семью. — Так что если бы Вселенная была действительно творением Господним, то в ней бы не происходили время от времени взрывы сверхновых, столкновения галактик и прочие безобразия. А так в природе, похоже, существуют свои анархисты»…

О. СЛАВИН

Художник Ю. САРАФАНОВ

 

Вечное движение

Известно, что масло с водой не смешивается. Этим, к примеру, широко пользуются в энергетике. В трансформаторах предусмотрено, что проникающая туда влага скапливается отдельно от трансформаторного масла на дне бака, не портит изоляцию обмотки и легко удаляется через кран-пробку.

Другой пример такой многофазной системы — коктейли. В них каждый компонент занимает в станине свое место. Явление тоже всем до банальности знакомое. Не потому ли мало кто задумывается: а что там происходит на границе разнородных сред?

Между тем группа сотрудников Физического института им. П.Н.Лебедева под руководством Юрия Стойлова заинтересовалась именно этими пограничными областями. Правда, использовали они для экспериментов несколько иные, чем в коктейлях, составляющие. Это фтористые, фторуглеродные соединения, вода, камфара, этанол, бензол и некоторые другие вещества. Все эти несмешивающиеся жидкости обладают различным давлением насыщенного пара, скоростью испарения и величиной поверхностного натяжения.

Исследователи установили, что при особых условиях в таких «коктейлях» самопроизвольно образуются «капли» и «кольца» из вещества одной из компонент, которые начинают неограниченно долго вращаться в вертикальной плоскости. В отдельных случаях такие кольца вращаются и в горизонтальной плоскости. Причем вслед за ними те же движения могут выполнять и легкие бумажные кораблики, опущенные в кювету. Все описываемые движения происходят довольно медленно, со скоростью порядка сантиметров в секунду, а оцениваемая мощность, необходимая для поддержания вращения, — около одной стотысячной ватта. Для ГЭС, пожалуй, маловато, так ведь и масштабы-то атомные, не правда ли? Кроме того, наблюдается непрерывное волнение жидкости, дрожание воды и другие феномены.

Рис. 1. Молекулы жидкости непрерывно и хаотически перемещаются (это движение называется Броуновым по имени открывшею его в 1827 году английского ботаника Броуна). Результирующее воздействие их толчков на постороннюю частицу отлично от нуля (а) и перемещается по случайной зигзагообразной траектории (б).

Рис. 2. Капля масла как бы «висит» над поверхностью воды, не смешиваясь с ней (а). А громоздкие молекулы мыла, уменьшающие поверхностное натяжение воды, образуют довольно прочную поверхностную пленку, которую мы и используем, пуская мыльные пузыри (б).

Рис. 3. Испарение — сложный статистический процесс. Он сопровождается не только вылетом из жидкости быстрых молекул, но и обратным «нырянием» недостаточно энергичных. В граничном слое воздух — жидкость эта «суматоха» может приводить к необычным результатам.

Рис. 4. Поверхностям натяжение действует одинаково на любой элемент поверхности. Поэтому ниточная петля, помещенная в мыльную пленку, натянутую на проволочное кольцо, не испытывает никакого воздействия. Но если разрушить ее внутри петли, то силы поверхностного натяжения немедленно растянут ее в правильную окружность.

Особенно удивительным, наводящим на фантастические предположения, представляется поведение на поверхности воды двух разных капель: перфтороктана C8F18 и дибутилфталата С6Н4(СООC4Н9)2, подкрашенного красителем. Вот изложение опыта словами изобретателя.

«Капля C8F18 или ДБФ на поверхности воды принимает линзовую форму и не двигается. Но если в широком открытом сосуде каплю C8F18 объемом приблизительно 0,1 см3 и такую же каплю ДБФ поместить на поверхность воды на расстоянии 3–4 см друг от друга, то капли этих химически инертных жидкостей сближаются и начинают в течение нескольких минут интенсивно взаимодействовать в сложном физическом процессе, похожем на поведение живых существ, с трепетной дрожью приближаясь, сливаясь и разделяясь, с выделением пленок и образованием новых капель, до полного испарения одной из жидкостей. Кусочек льда на воде замедляет или совсем прекращает взаимодействие капель».

Что это было? Фрагментик какой-то неизвестной жизни? Все необходимое имелось: углерод, водород, кислород воды. Правда, непонятно — к чему тут фтор?

Впрочем, подождем дальнейших исследований — зачем гадать.

— Так что же? — спросит изумленный читатель. — Новый перпетуум мобиле? Источника энергии нет, а движение — пожалуйста?!

Ну почему же нет источника? А окружающая среда? Скажем, если соорудить трубу от жаркой Сахары до холодных вершин Атласских гор, разве в ней не возникнет тяга для вращения пневмотурбины? Вот и в этих опытах температура жидкости всегда меньше, чем у пара над ней. Эта разница составляет ничтожные доли градуса, но — она есть! А раз есть нагреватель и холодильник, то почему бы не быть энергии?

Значение этих работ трудно переоценить. Взаимодействие жидкостей играет огромную роль в функционировании клеточных мембран, в процессах саморегуляции, специализации клеток, в других тонких явлениях на граничных слоях нанометровой толщины, где состав и плотность частиц меняются на несколько порядков. Как это часто бывает, эксперимент значительно опережает теорию, разработка которой может привести к совершенно новому пониманию термодинамики сложных неравновесных систем. Даже таких, как человек.

А с законами сохранения — все в порядке. Они стоят непоколебимо.

Георгий ЧЕРНИКОВ

Художник В. КОЖИН