© А.Г.Пархомов
ПОСТИЖЕНИЕ ФЛИККЕР-ШУМА
А.Г.Пархомов
ЗАГАДОЧНЫЕ ПОМЕХИ
При регистрации сигналов, возникавших в терморезисторах, фоторезисторах и фотоэлектронных умножителях(ФЭУ), я столкнулся с весьма неприятным явлением: сигнал иногда без видимых причин терял стабильность, появлялись флуктуации, многократно превышавшие обычный уровень. Это могло продолжаться несколько часов, а иногда и несколько суток, после чего нормальная работа установок восстанавливалась. В дальнейшем было установлено, что две расположенные рядом одинаковые установки, помещенные в общий металлический экран, имеющие общий источник электропитания, “хулиганят” неодинаково и в разное время. Стало ясно, что “плохое поведение” связано не с помехой, а с процессами в подключенных ко входам установок терморезисторах, фоторезисторах или ФЭУ.
Очевидным способом снижения уровня шума и помех является сужение полосы пропускания усилителя сигналов. Однако, ограничение полосы пропускания “сверху” до десятых долей герца не только не уменьшало величину нежелательных всплесков, но делало их еще более впечатляющими.
Флуктуации, преобладающие в электронных приборах на низких и инфранизких частотах, имеют название "фликкер-шум" (или
1/f-шум) в отличие от "белого шума", преобладающего на высоких частотах [1]. Известно, что наиболее сильный фликкер-шум возникает в тех приборах, где полупроводники используются в поликристаллическом состоянии (фоторезисторы, терморезисторы, фотокатоды ФЭУ), а также в полупроводниковых приборах, сделанных по технологии "металл-окисел-полупроводник" (МОП). Дальнейшие исследования подтвердили наличие шумовых всплесков у МОП-транзисторов и микросхем. Все говорило о том, что “хулиганство” электронных приборов является проявлением фликкер-шума или его разновидности - взрывного шума.
ВЕЗДЕСУЩИЙ ФЛИККЕР-ШУМ
Знакомство с посвященной фликкер-шуму научной литературой для прояснения сущности этого явления ничего не дало: удалось найти только описание некоторых эмпирических закономерностей и заумные формулы. В научно-популярной литературе это явление называли загадочным: говорилось о том, что фликкер-шум не имеет объяснения и что флуктуации, обладающие свойствами фликкер-шума, присущи самым разнообразным природным и даже социальным явлениям. Это и низкочастотные флуктуации в электронных приборах. Это и солнечная активность. Это и землетрясения, и камнепады, и снежные лавины. Это и процессы при горении. Это и энцефалограммы, и частота сердцебиения. Это и численность популяций живых организмов. Это и частота возникновения эпидемий и социальных взрывов. И даже музыка имеет частотный спектр, близкий к 1/f, т.е. обладает свойствами фликкер-шума.
Что такое белый шум мы хорошо знаем: это шум телевизора, когда на входе нет сигнала, или шум дождя. Восприятие же фликкер-шума в большинстве случаев сильно затрудняется медлительностью происходящих процессов. Чтобы прочувствовать, что же такое фликкер-шум, я записал инфранизкочастотный шум МОП-транзистора на магнитофон при очень низкой скорости движения ленты, а потом прослушал при скорости движения в 10000 раз более высокой. Недельная запись "проскакивала" за минуту, и при этом инфранизкочастотный спектр сдвигался в диапазон частот, воспринимаемых ухом. Я услышал звук горящего костра, в котором было и завывание пламени, раздуваемого ветром, и треск лопающихся поленьев, и даже шипение испаряющихся капель воды.
Два процесса, механизмы протекания которых совершенно различны, внешне проявляют себя сходным образом, разница лишь в скорости. Стало быть, сущность фликкер-шума не в конкретных физических механизмах, а в чем-то более общем.
ЛУННЫЙ РИТМ
Интригующая скудность информации по фликкер-шуму подвигла меня на собственные экспериментальные исследования. Я изготовил несколько "шумелок" и организовал непрерывную многоканальную запись возникающих сигналов. Некоторые полупроводниковые приборы (транзисторы с p-n переходами, кремниевые стабилитроны) давали шум стабильной амплитуды. Иначе проявляли себя фоторезисторы и МОП-транзисторы (микросхемы): интенсивность сигнала, возникающего в этих полупроводниковых приборах время от времени резко возрастала, причем моменты появления всплесков выглядели случайными и не совпадали даже у нескольких совершенно одинаковых и расположенных рядом "шумелок".
По мере увеличения продолжительности записи сигналов, в вероятности появления всплесков стала заметна некоторая ритмичность с околомесячным периодом. Для более точной идентификации столь длительных ритмов пришлось запись сигналов продолжить. Через год можно было уже вполне уверенно сделать вывод о преобладании ритма синодического лунного месяца (29,5 суток), а также о наличии дробных периодов (3/2,3/4,2/3,1/3,1/4 cинодического лунного месяца). Анализ дальнейших записей, продолжавшихся более 10 лет, подтвердил этот вывод [2,3]. Заметим, что такой же набор ритмов был обнаружен С.Э.Шнолем с сотрудниками в результате многолетних исследований вариаций скоростей химических и биохимических реакций [4]. Сопоставление моментов появления всплесков шума с другим природным околомесячным ритмом - 27-суточным ритмом солнечной активности - не выявило отчетливых соответствий.
Ритм синодического лунного месяца - это ритм изменения гравитационного поля в околоземном пространстве, связанный с изменением взаимного положения Земли, Луны и Солнца. Но предположение о том, что "шумелки" чувствуют непосредственно изменение гравитационного поля, вызывает большие сомнения. По сравнению с напряженностью гравитационного поля на поверхности Земли эти изменения весьма малы (меньше одной десятимиллионной) и происходят очень плавно. Но даже если бы существовал какой-то механизм восприятия электронными приборами столь малых и плавных изменений гравитационного поля, вместе с основным периодом должны были бы наблюдаться гармоники, т.е. ритмы с периодами 1/2, 1/3, 1/4,...основного периода. Реально же наблюдаются, кроме этих периодов, периоды 3/2, 3/4, 2/3, т.е. периоды соизмеримые с основным.
Гармонические ряды характерны для механических или электромагнитных колебаний. Соизмеримости же характерны для орбитальных и вращательных движений в системе гравитационно связанных тел [5](например, период обращения Сатурна вокруг Солнца равен 5/2 периода обращения Юпитера). Отсюда возникла казавшаяся поначалу фантастической мысль о том, что в системе Земля-Луна-Солнце совершают орбитальные движения какие-то невидимые слабо взаимодействующие с веществом объекты; те из них, которые в перигеях достигают поверхности Земли, влияют на ход процессов в достаточно чувствительных системах. Неодинаковость отклика одинаковых близкорасположенных устройств на такого рода космические воздействия можно объяснить тем, что в ходе идущих в них процессов промежуток времени, когда чувствительность к внешним воздействиям высока, невелик, и "готовность" среагировать на воздействие одновременно в нескольких устройствах может совпасть лишь случайно (подробнее мы это обсудим позже).
СКРЫТАЯ МАТЕРИЯ
Высказанную гипотезу следовало бы обозвать схоластической, если бы существование невидимых слабо взаимодействующих с веществом объектов в космосе не было фактом, надежно установленным из астрономических наблюдений. Такие объекты не просто имеются, они преобладают: не менее 90% массы нашей Галактики (и других галактик) составляет именно это невидимое и слабовзаимодействующее вещество [6,7]. И нет никаких оснований считать, что его нет в ближнем Космосе.
Что это за вещество? Это могут быть, например, потухшие звезды или объекты типа астероидов и планет. Но оценки показывают, что такие объекты могут дать лишь небольшой вклад в "скрытую массу". Наиболее обоснованным является предположение о том, что основная часть скрытой материи - нейтрино или другие слабовзаимодействующие частицы, имеющие массу покоя. Низкая скорость их движения приводит к тому, что они являются равноправными членами гравитационно-связанных систем, двигаясь в них подобно звездам, планетам и спутникам планет. Было бы непонятным исключением из общего правила, если бы потоки таких частиц или их скопления не совершали орбитальные движения около Земли.
К этому следует добавить, что взаимодействие нейтрино с веществом при очень низких энергиях, соответствующих орбитальным движениям, не столь исчезающе слабое, как при энергиях "ядерных", и потоки этих частиц (а они могут быть очень плотными) способны проявлять себя вполне ощутимо.
УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ДЕТЕКТОР СЛАБЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
Вернемся из Космоса на Землю и попробуем понять, почему фликкер-шум может давать (а может и не давать) сильный отклик на слабые воздействия. Попробуем это уяснить на наглядном примере. Представим себе горный склон со всеми его выступами, ямами и шероховатостями, на который равномерно падает снег. В некоторых местах склон крут и гладок, снег здесь, почти не накапливаясь, соскальзывает вниз. В других местах снег удерживается на склоне более крепко, и прежде чем посыпаться вниз, должен накопиться слой снега некоторой критической толщины. В тех местах, где снег удерживается особенно прочно, постепенно накапливается особенно много снега. Очень долго там тихо и спокойно, но в некоторый момент вся накопившаяся махина лавиной сползает вниз, сметая все на своем пути.
Представим себе человека, сидящего около этого горного склона и слушающего доносящиеся до него звуки. Он будет слышать равномерный слабый шелест падающего снега, довольно часто до него будет доноситься шорох снега, сползающего с крутых склонов, иногда он будет слышать удары комьев снега, упавшего из мест, где он может удерживаться более или менее продолжительное время. А если наш слушатель будет находиться около горного склона очень долго, он имеет шанс услышать грохот снежной лавины.
Шелест падающего из облаков снега - это белый шум, звуки сползающего снега - это фликкер-шум. Слабые звуки слышны часто, сильные - реже, очень сильные - совсем редко. Вот вам и зависимость энергии событий от частоты типа 1/f.
Теперь подвергнем наш горный склон какому-нибудь воздействию, например выстрелим из ружья. В некоторых местах, там где толщина накопившегося снега близка к критической, начнется сползание снега. Одновременность событий, которые без внешнего воздействия были бы "размазаны" во времени, приведет к тому, что некоторое время после воздействия будет слышен звук сползающего снега более сильный, чем обычно. А после этого, напротив, некоторое время будет тише, чем обычно, так как "околокритический" снег стряхнулся и тех событий, которые без воздействия произошли бы спонтанно, уже в ближайшее время не будет.
Повторное воздействие такой же силы, сделанное сразу после первого, не вызовет отклика, так как всё, что могло бы стряхнуться, уже сброшено первым воздействием. И только после того, как в результате выпадения снега из облаков околокритические уровни восстановятся, отклик на воздействие опять станет возможным.
Сравним теперь эффекты от воздействий разной силы, например от выстрела из ружья и выстрела из пушки. Выстрел из ружья вызовет сползание снега лишь с крутых и гладких склонов, там, где и без того много снега удерживаться не может. Поэтому восстановление околокритических условий и высокой чувствительности к воздействиям после слабого воздействия происходит быстро. Выстрел же из пушки оголит весь склон, и восстановление снежного покрова потребует значительного времени. Очень долго после этого мы можем стрелять хоть из ружья, хоть из пушки, не получая ответной реакции.
Подобными свойствами обладает любая система, содержащая много элементов, способных что-либо накапливать и "сбрасывать" накопленное после достижения некоторых порогов, различных для разных элементов. Таких систем великое множество. Накапливаться и разряжаться могут, например напряжения в недрах Земли, или электрические заряды в облаках, или недовольства в обществе, или носители заряда на дефектах в полупроводниках. Внешние проявления процесса накопления-разрядки (для приведенных выше примеров это землетрясения, грозы, революции, низкочастотный электрический шум) обладают свойствами фликкер-шума:
- зависимостью величины эффекта от частоты их повторения типа
1/f: "слабые" события происходят часто, а "сильные" - редко;- высокой чувствительностью к внешним воздействиям при условии, что таких воздействий перед этим не было достаточно долго;
- последействием: продолжительность отклика на внешнее воздействие может превышать продолжительность воздействия, после чего наступает "затишье" с пониженным уровнем флуктуаций и пониженной чувствительностью к воздействиям;
- "обратной" зависимостью силы отклика на повторяющиеся воздействия от силы воздействия. Чем сильнее воздействие, тем продолжительнее "затишье", поэтому повторные сильные воздействия могут вызвать сильную ответную реакцию только после достаточно продолжительной паузы. Если период повторения сильных воздействий меньше необходимой паузы, отклик на сильные воздействия может быть слабее, чем отклик системы на повторяющиеся с той же периодичностью более слабые воздействия;
- неодинаковостью отклика одинаково устроенных систем на одинаковые воздействия. Это свойство фликкер-шума связано с различными предысториями систем, в которых он возникает, и возможностью реализации различных направлений процессов в сложных системах.
Зная свойства систем, генерирующих фликкер-шум, можно понять сложный и неоднозначный характер отклика использованных нами устройств на внешние воздействия [8], а также условия, при которых подобные устройства дают результаты, поддающиеся анализу, и могут быть использованы в качестве своеобразного детектора слабых воздействий. Для этого их надо как можно тщательнее изолировать от посторонних воздействий. До начала воздействий должно пройти время, достаточное для угасания переходных процессов и для записи "фонового" шумового сигнала. При использовании полупроводниковых приборов для этого требуется 1-2 часа. Сами воздействия должны быть кратковременными, интервал между ними должен быть достаточным для угасания последействия (обычно не менее часа). Таким образом, за рабочий день можно исследовать лишь несколько воздействий, а наиболее надежные результаты получаются при единственном воздействии. Эксперименты с использованием таких детекторов описаны в работах [9].
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Букингем М. Шумы в электронных приборах и системах. Пер. с англ. - М.: Мир, 1986.- 399 с.
2. Пархомов А.Г. Экспериментальные исследования инфранизкочастотных флуктуаций в полупроводниках. Закономерности. Космические ритмы. - М.:МНТЦ ВЕНТ, 1991. -24 с.
3. Пархомов А.Г. Вариации интенсивности низкочастотных флуктуаций в полупроводниках // Атлас временных вариаций природных процессов. Т.2. - М.: ОИФЗ РАН, 1998. -С.310-312.
4. Удальцова Н.В., Коломбет В.А. Шноль С.Е. Возможная космофизическая обусловленность макроскопических флуктуаций в процессах разной природы. -Пущино: ОНТИ НЦТИ АН СССР, 1987. 96 с.
5. Рябов Ю.А. Движения небесных тел. - М.: Наука, 1988. -238 с.
6. Физика Космоса // Ред. Сюняев Р.А. М.: Сов.энциклопедия, 1986. С.622-623.
7. Пархомов А.Г. Скрытая материя: роль в космоземных взаимодействиях и перспективы практических применений // Сознание и физическая реальность. 1998. Т.3. № 6. -С. 24-35.
8. Пархомов А.Г. Низкочастотный шум - универсальный детектор слабых воздействий. В сб.: Исследование проблем энергоинформационного обмена в природе. М.: СНИО СССР, 1989. Т.1, Ч. 1. С. 209-228.
9. Гуртовой Г.К., Пархомов А.Г. Экспериментальные исследования дистанционного воздействия человека на физические и биологические системы // Парапсихология и психофизика. 1992. 4(6). С.31-51 ; 1993. 1(9). С.29-39