Флуктуации пространства-времени и разброс результатов в точных измерениях
Из статьи С. Шноля.
В Университете, в одной из первых задач физпрактикума нас знакомили с правилами измерений физических величин и методами обработки результатов измерений. А несколько позже на лекциях и семинарах мы постигали основы теории вероятности и математической статистики. С тех пор мы твердо знаем понятия «систематичеcкая ошибка» и «разброс результатов измерений».Мы умеем с ними бороться, поскольку для «подавляющего» большинства задач нам достаточно знание первых двух (трех?) «статистических моментов» — средней арифметической измеряемой величины и среднеквадратичного разброса результатов. Существенно бывает еще знать и вид распределения результатов — Гаусса, Пуассона и т. п. Для отнесения экспериментально получаемых распределений служат «статистические критерии согласия гипотез» (Смирнова — Колмогорова, Пирсона и др.). Этого арсенала нам достаточно для коррекции траекторий спутников, расчетов сечения взаимодействий в ядерных реакциях или для оценки эффективности действия лекарственных веществ. Все это — фундамент науки последних столетий.
Вернемся на 1-ый курс университета. Задача — построение распределений результатов измерений. Нужно сделать возможно аккуратнее измерения одной и той же величины. Вы получаете ряд последовательных результатов измерений — т. е. следующих друг за другом во времени. Почему-то эти одинаковые по всем контролируемым критериям измерения обычно называют параллельными? Впрочем, ничего удивительного. 1-ая секунда ничем не лучше 2-ой...
Вы сделали 100 одинаковых измерений. Некоторые полученные величины встречаются часто, некоторые — редко. Построим график — гистограмму — по оси абсцисс — результаты измерений — по оси ординат — сколько раз встречался данный результат. Наивный студент несет нарисованный график преподавателю — и не получает зачет — нельзя так представлять результаты измерений! Такие гистограммы в математике обозначаются термином «несостоятельные»! — В них число разрядов по оси абсцисс сопоставимо с числом измерений. Нужно «должным образом» сгруппировать результаты измерений и аппроксимировать получившееся распределение соответствующим гладким распределением Гаусса (Пуассона)... Качество аппроксимации проверяют критериями согласия гипотез. Теперь зачет получен.
Основное содержание статьи состоит в утверждении: детальная форма «несостоятельных гистограмм» не случайна, в ней скрыта информация о состоянии нашего мира в момент измерений.
Это нелегкий вывод. Кажется, что он противоречит основам науки последних столетий. Но это только кажется. На самом деле этот вывод никакие устои не расшатывает. Как сказано выше, для всех (почти) научных задач тонкая структура — особенности формы гистограмм не существенна. В самом деле, что мы обычно изучаем? Изучаем «воздействия», «влияния», изменение различных показателей под действием различных «сил». «Разброс результатов» при этом лишь помеха в точных измерениях. А мы обсуждаем далее тонкости этого разброса результатов.
Наверное, самый подходящий объект для наших целей — измерения радиоактивности. Лучше всего — альфа-распад. При должной культуре измерений, в «земных условиях», можно исключить предположения о каких-либо влияниях на темп радиоактивного распада.
Была проведена серия длительных измерений альфа-активности препарата 239Pu, неподвижно укрепленного на полупроводниковом детекторе. Измерялось число импульсов за каждые последовательные 6 секунд. Результат — чаще прочих похожи друг на друга соседние гистограммы.
Чтобы убедиться в том, что этот эффект не случаен, нужно сравнить между собой многие сотни таких гистограмм, т. е. исследовать десятки тысяч возможных их по-парных сочетаний. Это было проведено, в результате вывод — вероятность сходства ближайших соседей очень высока. Эффект «ближней зоны» означает, что форма гистограмм не случайна. Гистограммы построены по неперекрывающимся отрезкам временного ряда. Значит, есть «время жизни идеи данной формы» и это время больше, чем длительность отрезка временного ряда, соответствующего одной гистограмме. Этот эффект не является следствием приборных артефактов, следствием какого либо предпочтения определенных скоростей счета в измерительной системе — нет таких предпочтений у счетчиков радиоактивных излучений.
Если снова обратиться к результатам измерений, заметим, что после эффекта ближней зоны и уменьшения вероятности повторного появления гистограмм данной формы эта вероятность вновь резко возрастает, когда интервал между сходными гистограммами приближается к 24 часам.
Это значит, что изучаемое явление как-то связано с вращением Земли вокруг своей оси.
Вероятность повторного появления гистограмм данной формы возрастает и ровно через год и, что не менее важно, примерно через 27 суток. В районе 27 суток по-видимому есть несколько различимых периодов. Все это означает, что тонкая структура гистограмм определяется космофизическими факторами — вращением Земли вокруг своей оси, ее движением по околосолнечной орбите, взаиморасположением и состоянием Солнца — Земли — Луны.
Установление связи возрастания вероятности повторного появления гистограмм данной формы с вращением Земли вокруг своей оси приводит к необходимости различения «звездных» и «солнечных» суток. Звездные сутки на 3 мин 56,56 с короче солнечных (24 ч 00 мин).
Мы тщательно изучили структуру «околосуточного периода». И. М. Зверева (Физический ф-т МГУ или НИИЯФ МГУ?) на протяжении 1,5 месяцев в октябре-ноябре 1997 г измеряла альфа-активность 218Po при длительности одного измерения 1,72 с. Временной ряд результатов измерений был поделен на отрезки по 50 значений и по ним построены гистограммы — каждая за суммарное время 86 с. При сравнении между собой около 200 000 попарных сочетаний гистограмм были выбраны 14 552 сходные пары. Максимум вероятности повторного появления гистограмм сходной формы смещен в сторону 23 часов 56 минут. Аналогичные результаты были получены и при детальной обработке результатов других измерений. Значит, форма гистограмм определяется, среди прочего, экспозицией данного участка земной поверхности относительно сферы неподвижных звезд... Похоже, мы в самом деле выходим за пределы Солнечной системы. До меня начинает доноситься запах костров инквизиции...
Какой «физический смысл» имеет дискретная структура детальных распределений — форма соответствующих гистограмм? Мы видим «пики» и «впадины» на гистограммах — некоторые, получаемые при измерениях величины более вероятны, чем другие. Как сказано — речь не идет о влиянии на радиоактивный распад. Различная форма гистограмм может наблюдаться при одних и тех же среднеарифметических значениях. Каждая из гистограмм соответствует, по критериям согласия гипотез, распределению Пуассона. А статистика Пуассона не может объяснить наличие узких пиков и впадин. В соответствии с этой статистикой ширина пиков должна равняться ±N/2, где N — средне-арифметическое значение измеряемой величины. Величины N1, N2, N3 для разных пиков и впадин очень близки между собой и поэтому они должны были бы перекрываться «разбросом» ±N/2.
Итак, снова: речь не идет о воздействиях на изучаемый процесс. И странно было бы думать о влияниях таинственных сил на процесс радиоактивного распада. О чем же тогда идет речь?
Около 20 лет тому назад было показано, что в каждый данный момент форма гистограмм с высокой вероятностью сходна в процессах самой разной природы. Весь этот феномен не зависит от природы процесса. За прошедшие годы мы проводили измерения скоростей биохимических и химических реакций, скорости движения частиц латекса в электрическом поле, время релаксации протонов воды в магнитном поле, время ожидания разряда неоновой лампы в схеме RC-генератора. Мы сравнивали результаты измерений радиоактивности в разных лабораториях с измерениями шумов в гравитационной антенне, измерениями колебаний земной коры, измерениями потоков нейтронов космического и геофизического происхождения.
Общий вывод:форма гистограмм не зависит от природы процесса, не зависит от диапазона изменений энергии, сопровождающих процесс. Форма гистограмм зависит только от места и времени. При этом речь идет о местном времени. В одно и тоже местное время в процессах разной природы с высокой вероятностью реализуются сходные гистограммы.
Чтобы проверить это, нужно было провести измерения в разных временных поясах. С этой целью мы выполнили серию исследований с непрерывными одновременными измерениями процессов разной природы в Пущино и в Институте Макса Планка по Аэрономии (Германия, Линдау), в Пущино и в Международном Биофизическом Институте (г. Нейсс — вблизи Дюссельдорфа — Германия), в Пущино и в Арктическом Институте в Мурманске, Апатитах, С.-Петербурге, в Пущино и на корабле «Академик Федоров» в ходе экспедиции по северным морям.
С высокой вероятностью сходные по форме гистограммы соответствуют именно местному времени. Причем, следует подчеркнуть, что речь идет о различиях именно местного (а не поясного) времени, соответствующего различиям географических координат.
Еще более четкий результат получен при сравнении гистограмм, построенных по измерениям альфа-радиоактивности 239Pu в Пущино (К. И. Зенченко) и измерениям гамма-радиоактивности 137Cs в Коламбусе (Ядерный центр Университета штата Охайо — США, М. С. Бенфорд и Дж. Талнаги). При расстоянии свыше 10 000 километров и разнице местного времени равной 8 часам мы видим крайне высокую вероятность синхронного изменения формы гистограмм точно по местному времени.
В то же время есть основания думать, что гистограммы разных форм обусловлены разными факторами, отражают разные закономерности — одни в наибольшей степени следуют солнечным суткам, другие — звездным. Одни более прочих ответственны за эффект «ближней зоны», другие за эффект «местного времени». Однако, до сих пор не удалось реализовать мечту — классифицировать все возможные формы гистограмм — разделить их на кластеры. Каждый кластер — типичную форму — обозначить определенной буквой. Тогда вместо последовательностей гистограмм мы получим последовательность букв — и временной ряд гистограмм станет текстом. Вот тогда можно будет использовать все достижения анализа текстов.
Что же это все значит?Мы видим, что по мере того, как, в ходе вращения Земли вокруг своей оси и ее движения по околосолнечной орбите, разные географические пункты одинаково «экспонируются» относительно Солнца, Луны, неподвижных звезд, закономерно изменяется форма гистограмм, построенных по измерениям процессов любой природы.
Единственное общее у всех процессов то, что они происходят в одном и том же пространстве-времени. Отсюда естественен вывод, что изменения формы гистограмм отражают изменения пространства-времени. Эти изменения могут быть обусловлены гравитационной неоднородностью нашего мира. Вращение Земли вокруг своей оси можно уподобить движению колеса по булыжной мостовой, по гравитационным неоднородностям.
Мы видели, что узкие пики и впадины в фигурах гистограмм не могут быть объяснены вероятностными причинами. Более всего гистограммы похожи на интерференционные картины. В каждый данный момент в данной точке Земли суммируются, интерферируют некие волны, порождаемые гравитационными «сгущениям» в окружающем мире. Эти волны экранируются Землей и достигают данной географической точки лишь при условии «прямой видимости» соответствующего источника. Интерференционные картины — фигуры гистограмм определяется соотношением фаз, амплитуд, длин, углов, под которыми разные волны падают на объект. Что это за волны? Не боялся бы я гнева профессионалов — сказал бы — мы видим интерференцию гравитационных волн...
Изложенное выше лишь сжатый очерк состояния этой проблемы. Существует множество загадочных особенностей этого феномена. Чрезвычайно интересны сочетания физических и математических закономерностей, определяющих реализацию гистограмм данной формы. Необходимо проведение еще многих разнообразных исследований, в том числе и прежде всего на спутниках. Но все это за пределами возможностей нашего небольшого коллектива. Читателю наверное ясно, что работы такого характера не имеют рыночного эквивалента и потому мы ни разу не получали гранты для обеспечения именно этих исследований. Это может оказаться типичной российской закономерностью. Потом, после нас, богато оснащенные институты в разных странах досконально исследуют проблему, а будущие руководители нашей науки будут с удовлетворением подчеркивать отечественный приоритет.
