Вот так «в жизнь» конструкторов вычислительной техники вошла нелинейная динамика…
- Я бы не сказал, что конструкторы сильно этому обрадовались и сразу ухватились за эту возможность. Они же не физики, а инженеры…
А вот физики за сравнительно короткое время нашли множество разнообразных физических сред, которые при определенных условиях порождают и поддерживают существование устойчивых неоднородностей - своего рода «объектов», способных перемещаться в пределах среды, взаимодействовать друг с другом и структурно эволюционировать.
Разновидностями этих динамических неоднородностей, в частности, являются устойчивые образования, напоминающие стоячие волны, но имеющие другую физику, - солитоны и автосолитоны. Так, например, в оптических резонаторах Фабри-Перо, построенных на основе ряда нелинейных сред, при условии их возбуждения внешним источником энергии, удалось получить так называемые дифракционные автосолитоны - устойчивые пространственные области высокой плотности электромагнитного поля[См. например: Розанов Н.Н., Ходова Г.В., Письмо в журнал «Оптика и спектроскопия», 1988, Т. 65]. Нелинейность среды «отвечает» за изменение коэффициента поглощения или показателя преломления в местах дифракционных максимумов поля, после чего возникающие периодически расположенные области с измененными оптическими свойствами начинают выполнять роль распределенного резонатора, выделяя и усиливая те пространственные компоненты поля, которые порождают автосолитон.
Успех этих экспериментов открыл принципиальную возможность строить оптические вычислители на основе динамических дифракционных структур (тех же автосолитонов!), обладающих способностью хранить в своей структуре как информацию о входных воздействиях, так и о своих предыдущих состояниях. Еще раз подчеркну: такой вычислитель «конструктивно» представляет собой не устройство, а процесс - динамически поддерживаемую суперпозицию явлений возбуждения и затухания в нелинейной оптической среде. Физики знают обо всех этих вещах еще с середины прошлого века, но они же физики, а не инженеры…
Много ли сегодня мы знаем физических процессов, на основе которых можно пытаться сконструировать принципиально новые устройства обработки данных?
- Очень много: это плазма высокочастотного газового разряда[Кадомцев Б.Б., «Коллективные явления в плазме». - М.:, Наука, 1976] (порождает статические или подвижные области ионизации и излучения - страты); в сверхпроводниках[Гуревич А.В., Минц Р.Г., «Тепловые автоволны в нормальных металлах и сверхпроводниках». - М.: изд. ИВТ АН СССР, 1987] наблюдаются автосолитоны, представляющие собой области с активным сопротивлением, окруженные сверхпроводящими «оболочками»; в магнитных материалах обнаружены бегущие магнитные домены и вихревые структуры (линии Блоха и ряд других).
В полупроводниках и полупроводниковых гетероструктурах[Белецкий Н.Н., Светличный В.М. и др. «Электромагнитные явления СВЧ-диапазона в неоднородных полупроводниковых структурах». - Киев: Наукова думка, 1991] исследованы эффекты возбуждения незатухающих диссипативных неустойчивостей в электронно-дырочной плазме, эффекты взаимовлияния многочисленных коллективных возбуждений - так называемых квазичастиц, распространяющихся в кристаллической решетке (акустических и оптических фононов, экситонов, магнонов и др.). Были получены удивительные результаты, касающиеся динамики магнитоплазменных волн и возбуждений в полупроводниках.
Богатейший «улов» на всевозможные нелинейности приносят в последние годы исследования многокомпонентных полупроводников типа «твердые растворы» (например, теллурида кадмия в теллуриде ртути). Особенность этих веществ в том, что ширину запрещенной зоны в них можно в широких пределах и плавно регулировать, изменяя соотношение компонентов «раствора». Управляя распределением состава в объеме образца на стадии изготовления, мы можем получать так называемые сверхрешетки и варизонные структуры[В варизонных структурах молярный состав материала плавно, по заранее рассчитанному закону меняется вдоль заданного направления. Это приводит, в частности, к тому, что такие фундаментальные параметры, как ширина запрещенной зоны, эффективные массы и время жизни носителей тока, начинают зависеть от пространственных координат], в которых начинают проявляться принципиально новые физические эффекты.
Этот список чрезвычайно велик. Он означает, что в нашем распоряжении находится обширный выбор явлений, позволяющих синтезировать не только оптические, но и акустические, электродинамические, тепловые, электронные, ионные, фононные и много других типов вычислительных сред - буквально «на все случаи жизни». Но тут имеется серьезная трудность…
Догадываюсь: конструкторов нужно учить физике?
- Это было бы полдела… Трудность связана с необходимостью управлять протеканием в среде тех процессов, которые должны осуществить требуемую обработку подводимой информации. По существу, перед нами стоит задача - научиться «программировать» для столь необычных компьютеров, каковыми являются неравновесные процессы в нелинейных средах.
А как вообще это делается? Существует ли какая-то теория такого необычного «программирования»?
- Математическое описание поведения таких физических сред[Рекомендую, например, замечательную книгу И. Пригожина и И. Стенгерс «Время, хаос, квант. К решению парадокса времени». - М.:, «Эдиториал УРСС», 2001] основано на исследовании траекторий изображающих точек в фазовом пространстве системы.
Было установлено, что каждой устойчивой динамической неоднородности в среде (например, автосолитону) соответствует устойчивая замкнутая траектория - цикл в конфигурационном пространстве, к которому «стягиваются» траектории, пролегающие в некоторой «близости» от него. Такой цикл получил название «аттрактор». Конфигурационное пространство многомерно, поэтому аттракторы в нем не всегда выглядят точками или линиями, но чаще всего являются поверхностями или объемами. Обнаружены и вовсе экзотические аттракторы[Их так и называют - «странные аттракторы»] - не просто многомерные, но обладающие дробными размерностями. Они являются фрактальными объектами в конфигурационном пространстве. В системах со странными аттракторами возможно возникновение чрезвычайно сложных процессов. Фактически эти аттракторы способны порождать такие реакции системы, которые нельзя ни предсказать, ни воспроизвести повторением любого набора начальных возмущений.
Физическую систему можно «сконструировать» так, что в ней будет «сосуществовать» множество аттракторов в чрезвычайно сложноорганизованном конфигурационном пространстве. Здесь есть широчайшее поле для творчества!
Получается, что, конструируя процессы, мы «выходим» из привычного физического пространства и «работаем» в абстрактном, виртуальном пространстве? Что ж, для программистов довольно привычное занятие…
- Но только программисты - не физики. И в последнее время - даже не инженеры, увы…
Основная же идея «программирования» поведения физических сред такова: для того чтобы в среде возникла требующаяся нам неоднородность, нужно так выбрать начальное возмущение, чтобы оно перевело систему в состояние, находящееся в «сфере притяжения» соответствующего аттрактора, после чего в среде, после «выключения» начального возмущения, начнется самопроизвольное образование неоднородности определенного типа и структуры.