теория запаздывающего осциллятора

Частица сидит в энергетической яме, как горошина в лунке. Чтобы выскочить, ей нужно перевалить через барьер, и обычно это случается редко: чем выше барьер, тем дольше ждать. Закон Аррениуса говорит, что время ожидания растёт экспоненциально, то есть удвоение высоты барьера увеличивает время в сотни раз.

Каждый год, ближе к декабрю, вода у берегов Перу становится аномально тёплой или аномально холодной. Это Эль-Ниньо и Ла-Нинья, две фазы одного климатического маятника, который качается в экваториальной части Тихого океана. Маятник не простой: он помнит, что было с ним несколько месяцев назад, и эта память определяет, куда он качнётся дальше.

Нейрон посылает сигнал соседу. Тот отвечает не сразу — импульс бежит по отростку с конечной скоростью, как письмо, которое задерживается в пути. Обычно такую задержку считают помехой, но в новой работе она становится дирижёром. Когда два возбудимых нейрона связаны с задержкой, между ними сам собой возникает ритм.

В 2017 году детектор IceCube поймал нейтрино из далёкой галактики TXS 0506+056. Это как услышать звонок из-за океана: сигнал пришёл оттуда, где рождаются самые энергичные частицы во Вселенной. Одновременно с нейтрино астрономы заметили вспышку гамма-лучей, а через два-три года — радиоволны. Почему радио опоздало?

Над тёплыми водами Индийского океана раз в полтора-два месяца собирается огромная волна влажного воздуха. Она движется на восток со скоростью пешехода — около пяти метров в секунду — и за сорок-девяносто дней огибает половину планеты.

Крошечная частица плавает в луче лазера, как пылинка в свете фонарика. Её постоянно толкают молекулы воды — беспорядочно, со всех сторон. Обычно эти толчки мешают: частица дёргается, и точные измерения превращаются в лотерею. Но физики придумали, как обратить помеху в пользу.

В раскалённой плазме — газе из заряженных частиц — хаотичные электрические поля работают как своеобразное сито. Медленная частица окружает себя облаком частиц противоположного заряда — поляризационной «шубой», которая экранирует внешнее поле и не даёт ему воздействовать на частицу.

Переводчик в зале переговоров слышит шёпот тропиков и повторяет его слишком громко. Так можно описать поведение нейросетевой модели климата DLESyM, когда ей навязали реальную температуру поверхности Тихого океана. Океан шепчет: «Эль-Ниньо», а атмосфера в ответ кричит так, будто её трясут за плечи.

Представьте маятник, который толкают в такт сезонам: зимой сильнее, летом слабее. Но у этого маятника есть особенность — переключатель, который срабатывает с задержкой. Когда маятник проходит через ноль, переключатель щёлкает и меняет направление толчка. Именно так устроена упрощённая модель Эль-Ниньо, которую построили математики.

Представьте себе маятник, который висит в комнате, где гуляют сквозняки. Иногда порыв ветра толкает его сильнее, иногда слабее. Если маятник почти не тормозится, он будет качаться долго и ровно. Но если трение велико, каждый толчок быстро затухает, и движение становится рваным: то резкий взмах, то долгое покачивание.

Тёплое пятно у берегов Перу появляется не каждый год, но когда появляется, дожди заливают пустыни, а в Австралии трещат пожары. Это Эль-Ниньо — явление, которое климатические модели воспроизводят с трудом. Простые модели хорошо считают, как часто оно случается, но теряют детали в пространстве.

Тихий океан помнит. Вода, нагретая у берегов Перу, медленно плывёт на запад, и через полгода её тепло возвращается к Южной Америке. Это путешествие длиной в шесть месяцев учёные называют запаздыванием. Оно превращает простую модель климата в лабиринт, где маршрут зависит не только от текущего положения, но и от того, где ты был полгода назад.

Переводчик в большом зале слышит и шёпот у самого уха, и разговор в другом конце. Одна и та же голова улавливает локальные интонации и держит нить общей беседы. Так устроена ResoNet — нейросеть, которая предсказывает Эль-Ниньо. Эль-Ниньо — это тёплое течение в экваториальной части Тихого океана, которое раз в несколько лет меняет погоду на всех континентах.

Океан у берегов Перу не просто тёплый: он пульсирует. Каждые несколько лет ветры стихают, тёплая вода ползёт на восток, и рыбаки остаются без улова. Это Эль-Ниньо, и его приходы не подчиняются простому расписанию. Одни исследователи винили в этом случайные порывы погоды, другие искали хаос в самой климатической системе.

Картограф, прокладывающий маршрут через горный хребет, отмечает не только вершины и долины, но и перевалы, где тропа резко меняет направление.

Океан помнит своё прошлое. Тепло, отданное воде у берегов Норвегии, не исчезает бесследно: оно отправляется в долгое путешествие через Атлантику, чтобы вернуться через десятилетия и снова изменить температуру у тех же берегов. Это не метафора, а физика тепловых волн Россби, которые бегут на запад со скоростью пешехода и несут с собой память о том, что было.

Волна уходит на запад, отражается от берега и возвращается через полгода, чтобы изменить температуру у восточных берегов Тихого океана. Это путешествие волн Россби и Кельвина формализм Мори-Цванцига превращает в уравнение с памятью. Раньше климатологи добавляли запаздывание в модели Эль-Ниньо по наитию, опираясь на физическую интуицию.

Дирижёр оркестра постепенно теряет контроль над темпом. Сначала вторая скрипка чуть отстаёт, потом виолончели ускоряются, и вот уже каждый музыкант играет в своём ритме, хотя ещё минуту назад все следовали одной мелодии.

Два маятника висят рядом, соединённые пружиной. Толкните один — и через пружину второй начнёт раскачиваться. Так устроены две области экваториального Тихого океана, где температура поверхности то поднимается, то опускается в ритме Эль-Ниньо.

Тихий океан дышит не равномерно, а рывками. Раз в несколько лет его тёплые воды приходят в движение, и тогда Австралия задыхается от засухи, а Перу заливает дождями. Это явление называют Эль-Ниньо, и оно похоже на путешественника, который блуждает по невидимой карте дорог.