Диалоги (май 2003 г.)

Вячеслав Найдёнов: Если бы нужно было определить три ключевых слова нашей беседы, я бы назвал следующее: нелинейность, сложность и вероятность. И речь пойдёт о нелинейных универсальных механизмах, приводящих к сложному поведению некоторых природных систем, для описания которых нужно существенное применение вероятностных методов.

Именно показатель и эффект Харста являются теми ключевыми эффектами, которые указывают на сложность этой природной системы. И речь у нас пойдёт о водах суши – морях, реках и озёрах.

В 1951-м году британский климатолог Харольд Харст, проведший более 60 лет в Египте, где он участвовал в гидротехнических проектах на Ниле, описал неожиданный эффект поведения стока этой реки. Чтобы понять его суть, рассмотрим процесс наполнения Средиземного моря водами Нила, куда он впадает. Если мы предположим, что расходы воды каждый год в реке одинаковы, то мы получим, что за время Т суммарный расход воды будет пропорционален полному времени – Q пропорционально Т. Если мы предположим, что сток Нила – это последовательность слабо зависимых, случайных величин, что ближе к действительности, то мы получим, что суммарный расход пропорционален Q в степени одна вторая. То есть наполнение происходит гораздо медленней. Вот это соотношение и получило название закона Харста, а показатель степени – показателя Харста.

Почему так важно различие в этих степенях? Различие важно по следующей причине. Приведём такой пример, более доступный, из небесной механики. Если мы рассмотрим задачу о вращении планеты вокруг солнца и примем, что сила тяготения между телами обратно пропорциональна квадрату расстояния, то получим классический результат Кеплера – планета движется по эллипсу. Если мы примем, что сила тяготения обратно пропорциональна кубу расстояния, то есть изменим немного степень, то мы получим следующий эффект: планета либо падает на своё солнце, либо уходит в космическое пространство. Кстати, эту задачу рассматривал сам Ньютон в своих «Началах».

Другими словами, при изменении степени мы получаем разные миры. Один мир – мир падающих яблок и лун, движущихся по правильным орбитам, а другой – мир с совершенно иными свойствами. Вот так примерно с эффектом Харста для движения воды. То есть, если водный мир следует эффекту Харста, то это мир катастрофических наводнений, паводков, мир внезапных подъёмов и падений уровня воды в водоёмах. Это бурный, неустойчивый мир. Если бы водный мир не следовал эффекту Харста, то мы получили бы спокойный мир без водных катастроф.

Задача описания этого эффекта очень волновала учёных. И математическим образом, который позволяет описывать этот эффект, стало фрактальное броуновское движение. Что такое фрактальное броуновское движение, Ирина Аркадьевна может пояснить.

Александр Гордон: Только можно я уточняющий вопрос сразу задам? Ведь Харст получил для Нила не 0,5, как было предположено, а 0,7. Именно поэтому в степенях такая большая разница, и это изменяет, собственно, описание системы.

В.Н. Да. Совершенно верно, ни один линейный процесс не удовлетворяет этому, не удовлетворяет ему и классическое броуновское движение, которое является кирпичиком для описания многих сложных систем. И для этого нам пришлось придумать новый тип случайных процессов – фрактальное броуновское движение.

Ирина Кожевникова: В 1940-м году академик Андрей Николаевич Колмогоров рассмотрел гауссовские процессы с непрерывными траекториями, нулевым математическим ожиданием, и дисперсией, пропорциональной времени в степени 2. Время больше или равно нулю, а Н изменяется от нуля до единицы. Если мы положим Н равным одной второй, то это получится классический случай, классическое броуновское движение или классический винеровский процесс.

Этими процессами занимались потом очень многие учёные, в частности, среди них Мандельброт и Ван Несс, и именно они присвоили этому процессу название «фрактальное броуновское движение».

Теперь. Приращения фрактального броуновского движения стационарны. Корреляционная функция при Н, большем, чем одна вторая, медленно, степенным образом, как показано на рисунке, убывает. Покажите, пожалуйста, рисунок по теме 1 и рисунок 2. А спектральная плотность имеет при нулевой частоте интегрируемую особенность, и для достаточно широкого диапазона частот тоже степенным образом убывает в зависимости от значения показателя Харста Н.

А.Г. Давайте теперь попробуем перевести на русский язык. Выяснилось, что классическое броуновское движение в том виде, в каком оно описано….

И.К. Это только частный случай данного процесса.

А.Г. И была выведена некая закономерность, которая носит ступенчатый характер, и это описывается уже фрактальным броуновским движением. Верно?

И.К. Да, фрактальным. Но функция не совсем ступенчатая, а имеющая степенной характер.

А.Г. Степенной характер.