Исследователи из отдела теоретической физики Института фундаментальных исследований Тата (TIFR) в Мумбаи обнаружили, что вместо того, чтобы манипулировать каждым компонентом или изменять взаимодействия в системе многих тел, иногда достаточно перезапустить лишь небольшую часть, чтобы изменить поведение всей системы, включая её переходы из одной фазы в другую.
Этот неинтуитивный подход, называемый перезапуском подсистемы, предлагает мощную универсальную стратегию управления для настройки коллективного поведения в сложных системах — от магнитов до нейронных сетей.
Работа Аниша Ачарья, Рупака Маджумдера и профессора Шамика Гупты опубликована в Physical Review Letters.
В повседневной жизни мягкий толчок в нужный момент — перезапуск зависшего компьютера, перезагрузка роутера или нажатие на неисправную машину — может предотвратить сбой системы. Исследователи показывают, что аналогичная идея работает и в физике, но с более глубокими последствиями.
«Самое удивительное открытие состоит в том, что вы можете изменить всё фазовое поведение системы многих тел, не трогая при этом взаимодействия или большинство её степеней свободы», — говорит профессор Шамик Гупта.
«В статистической физике принято считать, что для изменения фазового перехода необходимо изменить связи, внешние поля, геометрию или температуру. Однако это исследование показывает, что вы можете перемещать, разделять, устранять или воссоздавать фазовые переходы точно так, как захотите, просто периодически перезапуская небольшую часть системы в выбранном состоянии».
Основные выводы
- Перезапуск нарушает детальный баланс, тем самым индуцируя неравновесную структуру.
- Он косвенно влияет на макроскопический порядок через перезапускаемую подсистему, использует дальнодействующие взаимодействия для распространения этого смещения и превращает эффекты памяти в стабилизирующую силу.
- Контроль возникает в результате сложного взаимодействия шума, памяти и неполного вмешательства.
Применение в реальных системах
Системы многих тел — от спинов в магните до возбуждающихся нейронов в мозге — часто демонстрируют внезапные переходы, например, замерзание воды в лёд. Управление такими переходами обычно требует точной настройки всей системы, что является сложной задачей.
Перезапуск подсистемы предлагает удивительно более лёгкую альтернативу. Исследование показывает, что, выбирая:
1. какую часть системы перезапустить;
2. как часто перезапускать;
3. в какое состояние перезапустить,
исследователи могут сдвигать критические точки, изменять характер фазовых переходов или даже воспроизводить всю фазовую диаграмму голой динамики без изменения фундаментальных взаимодействий.
«Можно кардинально изменить глобальное поведение, вмешиваясь только в небольшую часть системы», — отмечает Ачарья. «Более того, периодических вмешательств время от времени достаточно, что снижает энергетические затраты протокола».
Хотя вмешательство является локальным, его последствия глобальны. «Дальнодействующие взаимодействия передают влияние перезапускаемой подсистемы на неперезапускаемую часть, эффективно смещая поведение всей системы», — объясняет Ачарья.
«Это раскрывает общий механизм: в системах с дальнодействующими взаимодействиями или высокосвязанных сетях контроль над влиятельными подсистемами каскадно распространяется по всей системе».
Вместо настройки температуры, связей или шума контроль достигается всего тремя параметрами: частотой перезапуска, размером перезапускаемой подсистемы и самим состоянием перезапуска. Команда протестировала эту идею на различных моделях и обнаружила поразительно универсальный эффект.
«Наши результаты применимы к равновесным спиновым моделям, неравновесным нелинейным системам осцилляторов, моделям среднего поля и не только, а также к системам с закалённым беспорядком и без него», — подчёркивает Маджумдер. «Эта универсальность означает, что контроль с минимальным перезапуском широко применим, а не ограничен идеализированными моделями».
Даже более примечательно, что результаты остаются аналитически трактуемыми, несмотря на наличие эффектов памяти, а симуляции соответствуют теоретическим предсказаниям. Этот подход предлагает платформу-независимый способ управления без настройки связей или изменения глобальной динамики.
«Физики могут начать рассматривать контроль во времени и контроль подмножества как столь же фундаментальные, как настройка связей», — говорит Маджумдер. «Стабильность может возникать за счёт периодических, целенаправленных динамических вмешательств, а не за счёт изменения энергетического ландшафта».
Это особенно актуально для систем, где взаимодействия фиксированы или сложны для управления, таких как биологические сети или ловушки с ионами.
Работа открывает пути к лёгкому управлению в разнообразных реальных системах.
3D-печатная рождественская ёлка из льда
Команда физиков из Института физики Амстердамского университета создала 3D-печатную рождественскую ёлку, полностью из льда. Исследователи Менно Деммени, Стефан Коой и Даниэль Бонн использовали только воду и вакуум, без каких-либо технологий замораживания или холодильного оборудования. На таймлапс-видео можно увидеть, как ёлка печатается и как она снова тает, когда вакуумный насос выключен. Работа опубликована на сервере препринтов arXiv.
Секрет ёлки заключается в так называемом испарительном охлаждении. Это тот же принцип, который млекопитающие используют для регулирования температуры тела.
В вакуумной камере с низким давлением вода быстро испаряется при комнатной температуре. По мере испарения каждой молекулы воды она забирает с собой небольшое количество тепла, заставляя оставшуюся воду становиться всё холоднее, в конечном итоге охлаждаясь до температуры ниже 0 °C. В этот момент вода всё ещё жидкая, но переохлаждённая. Как только сверхтонкий поток (примерно такой же толщины, как человеческий волос: 16 микрометров) попадает на уже сформированный слой льда, он мгновенно замерзает.
Послойно создаётся сложная ледяная скульптура — со всеми ветвями и деталями. Не требуется вспомогательный материал, нет отходов. Это дерево высотой 8 сантиметров было изготовлено за 26 минут. И когда вы выключаете вакуумный насос, всё снова превращается в чистую воду.
Тот же процесс работает и для других форм: конусов, столбов, даже наклонных структур без опоры. Этот метод полезен не только для создания забавных предметов, таких как замёрзшие украшения во время рождественского сезона, но и имеет научную ценность. Вы можете увидеть фазовые переходы, теплопередачу и роль давления — всё в режиме реального времени через прозрачную вакуумную камеру.
Более того, исследователи говорят, что есть практическое применение: техника открывает двери для биологии (чистые ледяные структуры в качестве каркаса для тканей) и микрогидродинамики (формирование сложных каналов путём расплавления льда). А на Марсе? Там холодно, а атмосфера тонкая — идеальные условия для использования той же техники для строительства структур с использованием местной воды.
Предоставлено Институтом физики Амстердамского университета.