В большом городе после дождя вода скапливается в одних и тех же низинах, куда бы ни упали первые капли. Через час картина луж почти не зависит от того, с какого именно места начался ливень. Это и есть равновесие — итог, к которому система приходит независимо от старта, если забыть подробности.

В математике такие ситуации описывает термодинамический формализм — набор правил для систем, где есть память о прошлом, но она постепенно стирается. Возьмём колоду карт, которую тасуют по строгому правилу, но с крошечной случайностью в движениях рук. После многих перетасовок порядок карт становится предсказуемым в среднем, хотя точную последовательность угадать нельзя. Учёные называют это мерой Гиббса — она показывает, насколько вероятна та или иная конфигурация в состоянии покоя.

Авторы новой работы взяли пять самых ходовых определений такой меры — через локальные правила замены одних состояний другими, через большие отклонения от типичного поведения, через собственные векторы особого оператора, через принцип наименьшей энергии и через старую добрую «цилиндрическую» конструкцию. И доказали, что все они дают в точности один и тот же объект. Причём сделали это с явными числами: насколько быстро всё сходится, какова погрешность, если чуть-чуть изменить температуру системы.

Практическая польза — в гарантиях. Когда инженер моделирует турбулентность в двигателе или биолог считает мутации в популяции, он может взять любое из пяти определений, какое удобнее для расчётов, и быть уверенным: результат не развалится. Более того, работа даёт оценки скорости забывания начальных условий — это ключ к предсказанию, как быстро система успокоится после толчка. И это только первая часть большого цикла из шести статей о хаосе и порядке. Так мы возвращаемся к лужам после дождя: теперь понятно, что математика способна не только описать их неизбежное появление в низинах, но и сказать, через сколько минут картина станет стабильной.