бистабильность

Книга с защёлками на страницах: перелистнуть можно, только если знать, как щёлкнуть по краю. Примерно так устроен механический метаматериал, о котором пойдёт речь. Каждая ячейка в нём — это маленькая масса внутри большей, соединённая с ней упругой фермой. Ферма может находиться в двух устойчивых положениях, как выключатель.

Дверной замок с двумя разными ключами: один проворачивается легко, другой требует заметного усилия. Так ведут себя два слоя гексагонального нитрида бора, когда их поворачивают друг относительно друга. Этот материал состоит из атомов бора и азота, уложенных в шестиугольную сетку, и его слои могут лежать в разных положениях, как две одинаковые решётки, сдвинутые на разный угол.

В аквариуме размером с обеденный стол две стаи чёрных неонов плавают в соседних отсеках, разделённых прозрачной стенкой. Они не могут коснуться друг друга, но видят каждое движение. И вот что удивительно: когда одна стая решает повернуть налево, вторая через мгновение делает то же самое. Как будто два маятника, висящие за стеклом, начинают качаться в такт. Рыбы в стае постоянно меняют направление, но не хаотично.

Каждую зиму больницы заполняются, а к лету будто пустеют. Эпидемии дышат, как прилив и отлив. Но почему волны болезней накатывают снова и снова, даже без новых мутаций? Математики нашли ответ в споре двух штаммов. Внутри одной эпидемии часто живут два варианта вируса. Переболев одним, человек получает частичную защиту от другого — это называется перекрёстным иммунитетом.

Лес не существует в застывшем мире. Зимой и летом, днём и ночью условия вокруг него меняются, и каждое такое колебание — словно ритм, под который подстраиваются все его обитатели. Однако до сих пор экологи в основном изучали, как сообщества живых существ держатся в неизменной среде, — как если бы проверяли прочность моста только в безветренную погоду.

Редкие виды в большом сообществе подобны тонким веткам дерева: их легко сломать случайным порывом ветра. Даже при стабильных внешних условиях у малочисленной популяции может просто не хватить особей, чтобы пережить неудачный сезон — например, засуху или нехватку пищи.

Выключатель щёлкает — свет загорается. Но представьте выключатель, который при одном и том же нажатии может и включить лампу, и оставить комнату тёмной. Он ещё и помнит, что делал в прошлый раз, а иногда словно подбрасывает монетку, решая, зажечь ли свет. Такое поведение обнаружили в кристалле чёрного фосфора — полупроводнике толщиной в несколько атомных слоёв.

Две верёвки, склеенные по длине, сами собой свиваются в двойную спираль. Так устроена ДНК — только роль клея играют водородные связи между основаниями, а жёсткость задают сами цепочки.

Представьте двух садовников, которые торгуются за воду из волшебного колодца. Один предлагает, сколько вёдер взять, второй может согласиться или отказаться. Если сделка совершена, вода — возобновляемый ресурс — убывает; если нет — колодец постепенно наполняется вновь.

Представьте комнату с глухим углом, куда звук не доходит. На стене висит умное зеркало: оно улавливает звук и переотражает его, делая скрытую область слышимой. По тому же принципу работают отражающие поверхности в беспроводной связи, перенаправляя радиоволны туда, где прямой сигнал слаб. Но если источник находится прямо перед вами, такое зеркало создаст лишь паразитное эхо, ухудшая связь.

Контактная сеть железной дороги напоминает галактику — сложную структуру, где энергия растекается подобно гравитационным полям, связывающим звёзды. Поезда в этой аналогии становятся планетами — массивными объектами, возмущающими среду своим присутствием.

Электрическая сеть железной дороги подобна оркестру: поезда — музыканты, чьи силовые преобразователи по-разному откликаются на ток. Когда их «электрические голоса» звучат вразнобой, возникает беспорядок — какофония, способная перерасти в опасную раскачку напряжения.

Бегун проигрывает и на гладком стадионе, и на вязком песке. Казалось бы, шансов нет. Но если дорожка под ногами начнёт меняться каждые несколько секунд — то стадион, то песок — бегун вдруг перестаёт отставать. Он не становится быстрее, просто среда не успевает «дожать» его слабость. Именно это обнаружили авторы работы, изучая простую модель «хищник — жертва».

Бегун на середине дистанции вдруг переходит на шаг — не ускоряется и не замедляется, а сохраняет постоянный темп. Нечто подобное могло происходить с самой Вселенной вскоре после Большого взрыва. Эту фазу назвали «стазис» — от греческого слова «стояние».

В мире, стремящемся к хаосу, иногда рождается ритм. Химическая реакция Белоусова–Жаботинского десятилетиями поражает воображение: в пробирке сами собой бегут цветные волны, словно живой организм, дышащий материей. Нечто подобное таится в кристаллах, где атомы железа балансируют между двумя магнитными ипостасями — высокоспиновой и низкоспиновой.

Внутри каждой клетки работает сложная сеть генов, которая определяет, кем она станет — нервной клеткой, мышечной или частью кожи. Этот выбор часто напоминает переключение тумблера: два устойчивых положения, и клетка решает, в какую сторону качнуться. Но у клеток есть особенность, которую редко учитывают в таких моделях, — они делятся.

Представьте две несмешивающиеся жидкости, например масло и воду. В обычных условиях они стремятся к разделению, образуя четкую границу раздела. Но введите в систему микроскопических пловцов — бактерий, основу которых составляет углерод, — и картина резко меняется.

Бросьте горсть монет на стол — каждая упадёт орлом или решкой сама по себе. А теперь монеты начинают переворачиваться, подталкивая друг друга. Примерно так ведут себя нейтрино в очень плотной среде.

Качели могут раскачиваться сильно или едва заметно. Обычно, если их не трогать, они остаются в выбранном режиме. Но в микромире всё иначе: крошечная мембрана, колеблющаяся под действием лазерного луча, способна самопроизвольно перепрыгивать из одного размаха в другой. Это похоже на побег с одной орбиты на соседнюю, только движет этим побегом не ракета, а вездесущий квантовый шум.

Человек, который ищет ключи, перебирает в уме места, где они могли оказаться. Птица, которая осенью рассовала сотни семечек по щелям, зимой перебирает их безошибочно. Как мозг вмещает столько адресов, если нейронов у всех примерно поровну? Ответ нашёлся в геометрии.

Шарик на склоне с двумя ямками обычно скатывается в ближайшую и затихает. Но если склон слегка деформирован и «помнит» недавние толчки, шарик может надолго зависнуть на полпути — в узком месте, откуда не хочется уходить. Именно такой фокус проделали физики со светом.

Когда горячий суп остывает, на поверхности появляются сгустки — так и ранняя Вселенная, остывая, рождала нитевидные сгустки энергии, космические струны. Некоторые из них похожи на натянутую резинку: пока цела — стабильна. Но если резинку надрезать, она рвётся.

Человек слышит звон, которого нет. Врач просит описать его — громкость, высоту, постоянство. Но это субъективно: один скажет «как комар», другой — «как пар из чайника». Нужен способ увидеть тиннитус напрямую, в самом мозге. Электроэнцефалограмма (ЭЭГ) записывает электрические волны мозга с кожи головы — быстро и безболезненно, как микрофон улавливает звук.

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.

Толпа людей вдруг начинает двигаться как один человек. В физике такое случается с атомными спинами — крошечными магнитными стрелками. Когда много спинов собираются вместе и общаются через общую среду, они образуют один большой магнит, или макроспин.

Держать в уме номер телефона, пока набираешь его, — рабочая память. В мозге за это отвечает группа клеток, которые посылают сигналы друг другу, как люди, передающие ведро по цепочке. Но у каждой передачи есть цена: нужны вещества-посредники, и они расходуются. Если их не пополнять, цепочка остановится и мысль пропадёт.

Камертон, по которому ударили, затихает: его колебания утекают в воздух. Но бывают системы, где колебание не затухает, хотя рядом полно свободных волн, готовых унести энергию. Такие «пойманные» состояния физики называют связанными состояниями в континууме (BIC). Их предсказали ещё в 1929 году, а впервые увидели только в 2011-м.

Плоский лист с системой прорезей, помещённый в поток воды или воздуха, демонстрирует поведение, напоминающее самонастраивающиеся жалюзи. Динамический напор раскрывает щели, и каждая полоска материала наклоняется, становясь миниатюрным крылом — элементом, создающим подъёмную силу за счёт разницы давлений на поверхностях.

Тонкая плёнка полупроводника толщиной в один атом напоминает коммунальную квартиру: в ней живут отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные «дырки».

Светящаяся точка в вакуумной камере не гаснет, хотя её уже давно перестали подсвечивать. Одиночный ион иттербия, пойманный электрическими полями, застрял в возбуждённом состоянии — как будто электрон внутри него забыл, как вернуться на своё обычное место. Обычно такие состояния живут миллисекунды, а тут счёт идёт на секунды.

Клетку можно отредактировать идеально, но она всё равно окажется бесполезной. Ген исправлен точно по плану, а клетка ведёт себя непредсказуемо: дрейфует, меняет судьбу, теряет безопасность. Это как починить одну шестерёнку в часах, но часы всё равно идут неправильно, потому что сбился весь механизм. Раньше на клетку смотрели как на список независимых деталей.

Квантовая запутанность — явление, при котором состояния двух или более частиц оказываются взаимозависимыми, — напоминает поводок, связывающий эти частицы. Но длина этой привязи строго ограничена.

Стопка одинаковых блинов на тарелке — просто стопка. Но если уложить их с определённым порядком, вдруг появляется нечто новое: например, узор, который не был виден в каждом блине по отдельности. Похожий трюк проделали физики с тонкими слоями материалов. Топологические состояния обычно связывают с особыми материалами, где электроны или волны ведут себя необычно на поверхности.

Экосистема похожа на качели, которые кто-то незаметно подталкивает. Раньше считалось, что главное — чтобы качели не раскачались слишком сильно. Но авторы работы показали: опаснее, когда точка равновесия сама съезжает в сторону, где качели уже не могут вернуться. В природе связи между видами не застыли намертво.

Обычная плитка укладывается в периодический рисунок — мотив повторяется снова и снова. Но атомы, эти фундаментальные «кирпичики» вещества, демонстрируют куда более изощрённое поведение: при определённых условиях они самопроизвольно выстраиваются в сложную мозаику, где узор никогда не повторяется, — подобно старинным изразцовым панно с их непериодической, но строгой гармонией.

В плазменном ускорителе частицы разгоняются, как сёрферы на волне, созданной в плазме. Если ведущий сгусток и хвостовой сгусток летят не по одной линии, возникает неустойчивость, которая раскачивает хвостовой сгусток. Это как если бы сёрфер на волне начал вилять из стороны в сторону — его траектория портится, и он может вылететь с волны.

Резинка натянута — и вдруг лопается. В мире атомов есть похожая картина: струна, связывающая частицы, может разорваться. В новой работе физики взяли цепочку атомов ридберговских атомов и проследили, как рвётся такая струна. При слабом натяжении струна рвётся полностью, и система распадается на несколько независимых кусков — как если бы резинка разлетелась на отрезки.

Тонкая плёнка из оксида металла лежит на поверхности с крошечной ямкой. Если плёнку чуть сжать с боков, она не сомнётся, а выгнется вниз в ямку или вверх горбиком. Оба положения устойчивы — как крышка от консервной банки, которая либо вогнута, либо выпукла, и сама не скачет туда-сюда.

Вода в стакане успокаивается, если перестать её мешать. Масло в двигателе гасит вибрации. Кажется, вязкость — это всегда про затухание. Но в некоторых потоках всё наоборот: добавь трения — и волны начинают расти, как будто из ниоткуда. Физики нашли простое объяснение. У таких систем есть скрытый запас энергии, запертый особой симметрией — она называется PT-симметрией.

Хлопните по днищу консервной банки — оно вогнётся внутрь и останется таким. Нажмите снова — выгнется наружу. Это бистабильность: у системы два устойчивых состояния, как у выключателя света. Упругая арка — простейший пример такой системы. Она может быть выгнута вверх или вниз, и чтобы переключить её, нужно приложить усилие.