Физик Саратовского университета В.В. Семёнов первым в мире экспериментально доказал: шум Леви способен не только разрушать пространственные структуры, но и управлять направлением и скоростью распространения волн в бистабильных системах. Такие системы встречаются повсюду: в химических реакциях, процессах горения, жидких кристаллах и даже в распространении эпидемий.
В них формируются области – домены, разделённые границами, называемыми волновыми фронтами. Эти границы могут оставаться неподвижными или двигаться, если одни состояния вытесняются другими. Управление скоростью и направлением движения фронтов открывает путь к контролю над множеством природных и технологических процессов – от изменения свойств материалов до динамики популяций.
Обычно для моделирования подобных явлений учёные используют Гауссов шум. Но шум Леви имеет отличительные свойства: он может быть асимметричен и содержать редкие, но резкие скачки большой амплитуды. Это придаёт ему разрушительную силу, но, как показал саратовский исследователь, свойства шума Леви можно обратить во благо.
В.В. Семёнов,
заведующий лабораторией компьютерного моделирования в электроники, доцент кафедры радиофизики и нелинейной динамики:
Предложенный метод управления позволяет изменять степень выраженности асимметрии бистабильных систем за счёт асимметрии шумового воздействия, чтобы добиться ускорения распространения пространственных доменов или, наоборот, замедления и даже смены характера распространения на противоположный.
Работа включала два этапа. Сначала с помощью численного моделирования исследовались сети связанных бистабильных осцилляторов, а затем проведён физический эксперимент. Учёный создал электронное устройство, на которое подавался реальный сигнал, близкий по характеристикам к шуму Леви. Это позволило впервые проверить предсказанные ранее эффекты в лаборатории.
Результаты подтвердили: при нулевой асимметрии шум только лишь разрушает фронты и домены, а при ненулевой – задаёт направление распространения. Причём скорость и направление зависят не только от параметров шума, но и от типа связи между элементами системы – однонаправленной или двунаправленной.
Так шум Леви из деструктивного фактора превращается в инструмент тонкого управления. Его можно использовать в медицине и нейрофизиологии – для описания сигналов мозга, в энергетике – для моделирования устойчивости сетей, в популяционной динамике и даже при разработке алгоритмов машинного обучения.
Прочитать про новейшее открытие можно в статье «ТАСС».
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 24-72-00054) и соответствует стратегическим направлениям программы «Приоритет-2030». Результаты опубликованы в журнале Chaos, Solitons & Fractals.
