Ритм вселенной. Как из хаоса возникает порядок - Стивен Строгац Страница 64

Таким образом, мы приходим к выводу, что пространство состояний для этого простейшего из массивов Джозефсона эквивалентно поверхности тора. Каждая точка на поверхности такого тора соответствует определенному электрическому состоянию массива, и наоборот. По мере того как с течением времени массив переходит из одного состояния в другое, точка, соответствующая электрическому состоянию массива, плавно перемещается по поверхности тора, подобно тому как увлекается плавным течением ручейка пылинка, случайно оказавшаяся на его поверхности. Картина течения этого воображаемого ручейка – со всеми его изгибами и завихрениями, его заводями и участками с ускоряющимся течением – учитывается в уравнениях цепи для нашего массива. Исходя из текущих значений фаз, эти уравнения определяют, как изменятся фазы в следующий момент времени.

Эти уравнения относятся к классу нелинейных уравнений, поэтому мы, конечно, не могли надеяться на то, что нам удастся найти для них однозначное и исчерпывающее решение, но мы полагали, что сможем выяснить качественные характеристики этого потока в целом. Например, точки стагнации (места на поверхности тора, где наша воображаемая пылинка застревает) должны соответствовать состояниям электрического равновесия для массива, когда все токи и напряжения не изменяются во времени. Устойчивость таких состояний можно оценить, вообразив, как наша пылинка могла бы покинуть такое состояние: если она всегда возвращается в него, как если бы ее засасывало в водосток, то такое состояние равновесия является устойчивым. Можно также предположить, что картина потока содержит замкнутый контур, маленький водоворот, в котором наша пылинка может кружиться до бесконечности, каждый раз по истечении определенного времени возвращаясь в свою исходную позицию. Такой контур должен означать некую форму периодического, повторяющегося поведения – электрическую осцилляцию в массиве. Мы с Куртом были уверены, что такие контуры обязательно должны иметь место, но нам не было ничего известно об их устойчивости – о том, всасывают ли они в себя соседние состояния.

Простейшим контуром является синхронная осцилляция, при которой фазы обоих переходов все время остаются равными. Соответствующая траектория пролегает вдоль главной диагонали квадрата. Она начинается в нижнем левом углу, затем движется на северо-восток, пока не достигнет верхнего правого угла, после чего она мгновенно возвращается в нижний левый угол (поскольку 360 градусов и 0 градусов соответствуют одной и той же фазе). Если рассматривать такую траекторию на квадрате, то получается, что она все время перепрыгивает из одного угла в другой, но если ее рассматривать на поверхности тора – которая представляет собой истинное пространство состояний для нашей системы, – то никаких перепрыгиваний не наблюдается. Переход оказывается плавным и незаметным.

Когда мы проанализировали картину этого потока в целом, мы были потрясены, обнаружив, что каждая другая траектория повторяет себя подобным образом. Каждое решение является периодическим. Если же вглядеться в эту картину пристальнее, то ничего особенно удивительного в обнаруженном нами факте нет. Качающийся маятник все время повторяет свое поведение, по крайней мере в простейшем, идеализированном случае, когда в его подшипниках отсутствует сила трения и когда отсутствует сопротивление воздуха. В этом случае не имеет значения, инициируете ли вы процесс колебаний маятника с большой или с малой дуги – в любом случае колебания будут оставаться неизменными и повторяться до бесконечности. То же самое относится ко всем другим видам «консервативных» механических систем, гипотетических идеализированных случаев, где отсутствуют какие бы то ни было формы трения и рассеяния механической энергии, а вся эта энергия полностью сохраняется («консервируется»), не превращаясь в тепло. Однако именно по этой причине периодическое поведение массива Джозефсона оказалось для нас столь неожиданным. Этот массив был нагружен трением. С электрической точки зрения, трение – это сопротивление. Сами переходы Джозефсона заключают в себе сопротивление (соответствующее пути, по которому проходит обычный ток), а нагрузкой цепи служил обычный резистор. Тем не менее этот массив воплощал в себе консервативную систему.

Мы с Куртом хотели понять, является ли столь парадоксальное поведение результатом изучения нами лишь двух переходов. Возможно, когда мы приступим к изучению большего числа переходов, система, так сказать, расправит свои крылья и продемонстрирует более представительный диапазон поведения. Я располагал рядом старых компьютерных программ, которыми пользовался при выполнении своей предыдущей работы по биологическим осцилляторам для имитации моделей Уинфри и Курамото, с сотнями цветных точек, бегущих по окружности, а также компьютерной программой для модели клеток сердца, разработанной Пескином; напомню, что тогда нам здорово помогло стробирование системы каждый раз, когда срабатывал один из ее осцилляторов. Все эти программы можно было легко адаптировать к уравнениям, описывающим поведение массива Джозефсона. После того как Курт вернулся к работе в Технологическом институте штата Джорджия, а я – в МТИ, имело смысл разделить наши усилия. Курт вместе со своим аспирантом по имени Куок Цанг занялся математическим анализом в случае, когда число переходов больше двух, а я приступил к компьютерному моделированию ^[167].

Для начала мы решили рассмотреть случай с десятью переходами. Такое количество переходов представлялось нам вполне обозримым, однако визуализировать случай со столь большим количеством переходов было очень непростым делом: вместо потока на квадрате или на поверхности тора траектории теперь пролегали в 10-мерном пространстве. Мои компьютерные программы неустрашимо ринулись в бой, продираясь сквозь нелинейные уравнения для 10-мерного пространства, продвигаясь к цели буквально крошечными шагами и отображая изменяющиеся фазы переходов в виде 10 точек, бегущих по окружности. Полученные изображения потрясли меня своей запутанностью и невразумительностью. Точки кружились и завихрялись, оставляя ошеломительное впечатление бесконечного хоровода, на основании которого, однако, невозможно было прийти к какому-то определенному заключению. Особенно трудно было проследить какие-либо постепенные изменения в относительном позиционировании. Немного легче стало после того, как я решил прибегнуть к испытанному приему со стробированием. Когда какой-то заранее выбранный переход достигал определенной фазы, происходила воображаемая вспышка, которая высвечивала фазы остальных девяти переходов. Это, конечно, помогло справиться с кружением огромного количества точек, однако оставались 9 точек, которые нужно было отслеживать одновременно. Необходимость отслеживания 9 точек означала необходимость визуализировать 9-мерное пространство.

Человеческий мозг не в состоянии легко визуализировать более трех измерений, а плоский экран компьютера вообще ограничивал картинку лишь двумя измерениями. Мне нужно было каким-то образом расширить свое сознание, попытаться представить, что происходит в этом странном 9-мерном мире. Немного поэкспериментировав, я остановился на мультипанельном формате, характерном для фильмов 1960-х годов, где на разных участках экрана («панелях») демонстрировались изображения разных актеров, причем каждому актеру отводился свой участок экрана. На одной панели отображалась фаза перехода № 2 в функции фазы перехода № 3, причем на одной оси были представлены значения фазы перехода № 2, а на другой – значения фазы перехода № 3. На других панелях отображались аналогичные зависимости между фазами переходов 3 и 4, 5 и 6 и т. д. Переход № 1 предназначался для запуска строба: когда он пересекал некую исходную линию (определенная фаза в его цикле), компьютер отображал соответствующую точку на каждой панели, представляя одновременные фазы в данный момент. В результате компьютерный экран заполняли панели, регулярно обновляемые после каждой стробоскопической вспышки.