Хаос, необратимость времени и брюссельская интерпрета-ция квантовой механики
той 1/2, затем правая половина полученного прямоугольника накладывается
на левую, образуя новый квадрат. Процесс в чём-то аналогичен размешиванию
теста, отсюда и название.
В отличие от сдвига Бернулли преобразование пекаря обратимо во
времени. Однако оно точно так же порождает хаотическое движение, связанное
с неустойчивостью по начальным условиям.
Преобразование пекаря сводится к сдвигу в двусторонней двоичной
последовательности:
x0y = ....u–k...u–3u-2u–1u0u1u2...uk....,
uk' = u–(k+1).
Видно, что при этом никакие двоичные разряды не теряются, что и
соответствует обратимости преобразования пекаря во времени.
Аналогично сдвигу Бернулли, преобразование пекаря порождает
динамический хаос, и описание движения точки в терминах траекторий также
неадекватно.
В случае преобразования пекаря описание эволюции системы в
статистических терминах даже более "физически осмысленно", чем для сдвига
Бернулли. Дело в том, что теперь, в двумерном случае, можно рассматривать
координатную плоскость как фазовое пространство некоторой динамической
системы с одной степенью свободы: ось x соответствует координате, а ось y –
импульсу. Аналогия с "физическими" динамическими системами усиливается ещё
и тем, что выполняется теорема Лиувилля: сохраняется объём в фазовом
пространстве. Другими словами, взяв ансамбль точек внутри некоторой области
и проделав произвольное количество преобразований пекаря, мы обнаружим тоже
самое количество точек внутри некоторой другой области (форма её при этом
очень сильно изменится и станет крайне замысловатой). Объём этой области (в
нашем двумерном случае ему соответствует площадь) останется неизменным.
Несмотря на обратимость преобразования пекаря во времени, эволюция при
t ( +( и при t ( –( оказывается различной [1,c.114].
Кроме описанных выше, существует ещё много сравнительно простых
моделей динамического хаоса. Однако мы воздержимся от их подробного
рассмотрения, и перейдём теперь к причинам, лежащим в основе
непредсказуемого поведения физических систем.
1.2 Классический хаос: неинтегрируемые системы Пуанкаре
Чем простое отличается от сложного? Традиционный ответ содержит ссылку
на иерархию. На одном конце шкалы мы находим такие объекты, как маятник,
подчиняющийся простым детерминистским законам. На другом конце шкалы
находятся люди и их сообщества. Между этими полюсами можно мысленно вписать
целую иерархию "комплексификации" – возникновения сложного из простого. В
действительности же дело обстоит даже более тонко: простое и сложное могут
сосуществовать вместе, не будучи связаны между собой иерархически.
Что касается человеческих сообществ, теория их поведения крайне трудно
поддаётся хоть какой-нибудь математизации и заслуживает отдельного
рассмотрения, вне рамок настоящей работы. Пример же хаотического поведения
простейших физических систем типа маятника будет рассмотрен ниже.
При исследовании того, как простое относится к сложному, обычно широко
используется понятие аттрактора, то есть конечного состояния или хода
эволюции диссипативной системы. Смысл этого понятия был глубоко
преобразован современной физикой и математикой. В прошлом считалось, что
все системы, эволюция которых связана с существованием аттрактора,
одинаковы. Ныне понятие аттрактора связывают с разнообразием диссипативных
систем.
Идеальный маятник без трения не имеет аттрактора и колеблется
бесконечно. С другой стороны, движение реального маятника – диссипативной
системы, движение которой включает трение, – постепенно останавливается в
положении равновесия. Это положение является аттрактором. Аналогичным
образом, аттрактором является и состояние термодинамического равновесия:
ансамбль из миллиардов и миллиардов частиц, образующих изолированную
систему, эволюционирует к состоянию равновесия, описание которого зависит
лишь от немногих параметров, таких как температура и давление.
Идеальный маятник служит примером так называемой структурной
неустойчивости: в отсутствие трения аттрактор не существует, но введение
даже самого незначительного трения изменяет движение маятника и вводит
аттрактор.
Чтобы представить аттрактор геометрически, обычно вводят пространство,
размерность которого совпадает с числом переменных, необходимых для
описания системы. Это могут быть координаты, импульсы, различные
термодинамические переменные. Во введённом пространстве равновесное
состояние диссипативных систем соответствует точечному аттрактору. То же
относится и к стационарным состояниям систем, близких к термодинамическому
равновесию и удовлетворяющим теореме о минимальном производстве энтропии.
Во всех случаях, каково бы ни было первоначальное приготовление системы, её
эволюция может быть описана траекторией, ведущей из точки, которая
представляет начальное состояние, к аттрактору. Таким образом, конечная
точка – аттрактор – представляет собой финальное состояние всех траекторий.
Не все диссипативные системы приводят к одной-единственной конечной
точке. Например, сильно неравновесная диссипативная структура, известная
под названием "химические часы", эволюционирует не к какому-нибудь
состоянию, а к устойчивому периодическому режиму. Такая ситуация приводит к
необходимости обобщения идеи аттрактора: аттрактор более не точка, а линия,
описывающая периодическое во времени изменение концентрации химических
веществ. Примеры подобных аттракторов легко найти, например, и в
радиофизике – ими являются предельные циклы автогенераторов, – и во многих
других разделах естествознания.
Система с предельным циклом остаётся предсказуемой и потому допускает
простое описание. Но за этой простотой кроются неожиданные свойства.
Нетрудно представить себе химическое равновесие – множество химических
процессов, компенсирующих друг друга подобно тому, как в состоянии
демографического равновесия рождаемость компенсирует смертность. Но
воображение бессильно представить себе, как огромные количества молекул,
взаимодействующих только через столкновения, начинают вдруг действовать
"дружно" – так, что среда периодически изменяет свой цвет.
В других случаях, пытаясь построить изображение аттрактора, мы получим
не точку или замкнутую линию, а поверхность или объём. Поворотным же
событием стало открытие аттракторов, не относящихся к столь простым
геометрическим объектам – так называемым странных аттракторов. В отличие от
линии или поверхности, странные аттракторы представляют собой фрактальные
объекты, характеризующиеся дробной размерностью.
Странные аттракторы были обнаружены в поведении многих динамических
систем, описываемых детерминистическими уравнениями движения. Например, они
возникают для так называемого сферического маятника – обыкновенного грузика
на нитке, который совершает колебания не в плоскости, а по поверхности
полусферы. При внесении возмущений в виде колебаний точки подвеса в
некоторый критический момент (зависящий от частоты возмущения) движение
маятника становится хаотическим, а его траектория описывается странным
аттрактором [1, с.83].
Корреляционный анализ временны'х последовательностей, характеризующих
работу человеческого мозга, изменения климата на планете за миллионы лет и
курса акций на бирже также приводит к обнаружению странных аттракторов.
Впрочем, при наличии огромного количества внешних причин, влияющих на
поведение всех этих систем, случайность их поведения вроде бы удивления не
вызывает, поэтому пока обратим внимание на более загадочное явление. Откуда
возникает хаотическое поведение в случае сферического маятника?
Как было показано выше, хаотическое поведение отображений типа сдвига
Бернулли связано с неустойчивостью по начальным условиям, а необратимость
их во времени – с потерей информации при сдвиге двоичной записи числа.
Можно, однако, возразить, что приведённые примеры отображений несколько
искусственны, так как в природе не встречается подобных дискретных
процессов, да и "вычислительной мощности" природы не хватит на выполнение
столь мудрёной операций, как модульная арифметика.
Оказывается, однако, что и на уровне решения обычных уравнений
движений (вытекающих из законов Ньютона) для того же маятника возможно
получение неустойчивых решений, связанных с так называемой
неинтегрируемостью системы по Пуанкаре.
Основная проблема классической механики состоит в расчёте движения
взаимодействующих тел на основе их уравнений движения (в частном случае,
например, это может быть закон Ньютона F=ma). Обобщение ньютоновской
механики на более сложные системы показало, что более удобной формой
описания является не зависимость от времени пространственной траектории
системы (в нашем примере – координаты), а движение точки, изображающей
систему, в пространстве вдвое большей размерности, чем обычное
"физическое". В общем случае состояние динамической системы описывается
координатами q1, ..., qs, которые являются независимыми переменными, и
соответствующими им импульсами p1, ..., ps. Преимуществом такого подхода
является существенное упрощение уравнений движения.
Центральная величина всей гамильтон
| |  скачать работу |
Хаос, необратимость времени и брюссельская интерпрета-ция квантовой механики |
