От электрона до звезды
По-видимому, впервые на не вполне обычный характер некоторых природных шумов обратили внимание создатели электронных приборов. Дело в том, что в этих приборах работают носители зарядов – электроны, упорядоченное движение которых используются для различных преобразований сигналов. Но упорядоченное движение носителей заряда неизбежно нарушается тепловым хаотическим движением, которое прекращается лишь при абсолютном нуле. И так как абсолютного нуля достичь невозможно, тепловой белый шум в большей или меньшей степени, но неизбежно проявляется в беспорядочных колебаниях (как говорят, флуктуациях) характеристик электронных приборов, что естественно, ограничивает их возможности. Ведь если уровень шума становится сопоставимым с уровнем сигнала, усиление последнего теряет какой бы то ни было смысл.
Для борьбы с тепловыми шумами было придумано немало приемов - например, охлаждение электронной аппаратуры до температуры жидкого гелия; в результате были созданы совершенные радиоэлектронные устройства, обладающие чрезвычайно низким уровнем собственного шума. Но было замечено, что иногда на частотах ниже миллиона герц уровень шума почему-то почти всегда превышает (причем иногда весьма значительно) тот уровень, который в соответствии с теоретическими представлениями должен был бы иметь чисто тепловой шум. Причем этот избыточный шум по своему характеру существенно отличается от настоящего белого шума: его спектр мощности представляет собой не прямую, параллельную оси частот, а более или менее крутую гиперболу, вертикальная ветвь которой загибается вверх по мере уменьшения частоты. В переводе с языка спектров это означает, что интенсивность шума растет с уменьшением частоты.
Необычной разновидности шума было дано и особое название: фликкер-шум (по-английски flicker значит «мерцание»). Мерцающий, или фликкер-шум можно представить себе так: вообразите, что по поверхности водоема идет высокая и широкая волна, в свою очередь по поверхности этой распространяются более мелкие волны, поверхность которых бороздит совсем мелкая рябь, - и так до бесконечности. С такого расстояния вы не смотрели бы на поверхность воды, изображенной такой хитрой комбинацией волн, вы не заметите никаких изменений: как и белый шум, фликкер-шум оказывается совершенно нечувствительным к изменению масштабов, это и есть то свойство, которое объединяет все истинные шумы и отличает их от любых иных звуков. Но если белый шум представляет собой чисто случайный процесс, который можно имитировать бросанием игральных костей, то, чтобы получить таким образом фликкер-шум, в эту, по сути дела, чисто математическую игру необходимо ввести особые правила, которые связывают последующие события с предыдущими. А там, где есть правила, законы игры и где есть игрок с хорошей памятью, строящий свою тактику с учетом предшествующих событий, там уже нет чистой случайности. Поэтому фликкер-шум можно назвать «серым шумом», лежащим где-то посередине между белым шумом (правила игры полностью отсутствуют) и «черным шумом» - полным отсутствием каких бы то ни было событий (правил игры бесконечно много).
Сначала к фликкер-шуму относились лишь как к какому-то случайному, экзотическому нарушению, так сказать, законной случайности. Но по мере накопления фактов ситуация становилась все более и более загадочной: длинные уши фликкер-шума вылезали при измерениях шумов практически любых электронных устройств. Создавалось даже впечатление, что фликкер-шум имеет более фундаментальную природу, нежели белый шум, порождаемый тепловым движением. И при всем при том общая теория, способная объяснить это явление, до сих пор не создана...
Да и с какой стороны подступиться к созданию подобной теории, если с каждым годом делались все более и более обескураживающие открытия? Колебания земной поверхности и поверхности Солнца — это фликкер-шум; вариации напряженности геомагнитного поля — тоже он; колебания температуры и давления атмосферы Земли; различные биохимические и биофизические процессы; вариации интенсивности космических лучей; электромагнитное излучение Солнца; флуктуации скоростей некоторых химических и биохимических реакций — все это фликкер-шум... Довольно? А что вы скажете, если к этому списку добавить еще и вроде бы чисто случайные процессы типа уже упоминавшихся вариаций плотности автомобильного потока? И то, что музыка тоже представляет собой одну из разновидностей фликкер-шума?
Действительно, теорию того или иного явления можно создать, если подобрана соответствующая ему физическая модель, которую уже не составляет особого труда описать математически. Но какая модель может верно соответствовать сразу всем перечисленным выше явлениям природы — не то что разнородным, а просто порой несопоставимым? Что объединяет электрон и Солнце, космические лучи и живую клетку, погоду и музыку?