Израильские ученые объяснили, как происходят катастрофы и как их предсказать
Исследователи из университета Бар-Илан сделали открытие, объясняющее, почему некоторые изменения в природе происходят постепенно, а другие – катастрофически быстро. Работа опубликована в журнале Nature Communications.
Почему одни изменения в природе происходят постепенно, а другие – практически мгновенно? Образование ржавчины на металле – медленный процесс, идущий дни или даже недели. Напротив, электросеть может выйти из строя за считанные секунды. Чем объясняется эта разница? Почему в одних случаях процесс затухает, а в других приводит к катастрофе?
Для исследования процесса перехода систем из состояния постепенного развития к катастрофе команда построила остроумную модель. Ученые взяли две сверхпроводящие сетки, которые взаимодействуют друг с другом через теплообмен. Когда система приближается к критической точке (например, при увеличении тока), происходит странное явление: вместо плавного перехода из сверхпроводящего состояния в резистентное, в котором система теряет свойство сверхпроводимости, система на сотни секунд "зависает" в промежуточной фазе, а затем совершает резкий переход.
Как показали ученые, ключ к пониманию этого феномена – спонтанный каскадный процесс. Когда сегмент первой сети переключается из сверхпроводящего в резистентное состояние, он выделяет тепло (сопротивление нагревает провода). Тепло воздействует на случайный сегмент во второй сети. Эта цепная реакция распространяется медленно, но постепенно дестабилизирует всю систему, пока не происходит резкий коллапс.
Центральную роль в распространении каскадного процесса играет "коэффициент ветвления" – среднее количество изменений, вызванных каждым событием. В качестве примера ученые приводят пандемию COVID-19. В этом случае коэффициент ветвления показывает, сколько в среднем здоровых людей заражает каждый инфицированный. Если коэффициент меньше единицы, то есть каждый зараженный передает вирус менее чем одному человеку, и вспышка затухает. Если коэффициент больше единицы – эпидемия быстро распространяется. Когда коэффициент равен точно единице – эпидемия балансирует на грани между затуханием и взрывным ростом.
На модели со сверхпроводящими сетками команда получила редкую возможность наблюдения критического режима, который предшествует катастрофе.
Возможность отследить каскадный процесс в системе и оценить коэффициент ветвления позволяет по ранним слабым сигналам предсказать будущую катастрофу, например, в электросетях или экосистемах.