Как происходят катастрофы – израильские исследователи раскрыли механизм природных коллапсов

Учёные из Университета Бар-Илан раскрыли механизм, который помогает понять, почему одни изменения в природе развиваются медленно и почти незаметно, а другие происходят стремительно и катастрофически.

Исследование опубликовано в Nature Communications.

В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с разным темпом изменений: ржавчина на металле образуется неделями, а масштабный сбой в электросети может случиться за секунды. Чем объясняется эта разница? Почему одни процессы затухают, а другие приводят к резким коллапсам?

Чтобы ответить на эти вопросы, команда построила уникальную физическую модель. Исследователи использовали две сверхпроводящие сетки, соединённые через теплообмен, чтобы имитировать взаимодействие сложных систем. При повышении электрического тока они наблюдали странный эффект: вместо плавного перехода от сверхпроводящего состояния к резистивному (когда проводник теряет способность проводить ток без сопротивления), система на сотни секунд «зависала» в промежуточной фазе, а затем внезапно коллапсировала.

Ключевым фактором такого поведения оказался спонтанный каскадный процесс. Когда участок первой сети переходил в резистивное состояние, он начинал выделять тепло. Это тепло воздействовало на случайные сегменты второй сети, постепенно вызывая их дестабилизацию. Хотя процесс начинался медленно, цепная реакция нарастала и в итоге приводила к резкому коллапсу всей системы.

Центральная роль в этом явлении принадлежит так называемому «коэффициенту ветвления» – он показывает, сколько новых изменений вызывает одно событие. Пример из реального мира – пандемия COVID-19: если инфицированный заражает в среднем меньше одного человека, вспышка постепенно затухает. Но если каждый заражённый передаёт вирус более чем одному человеку, начинается взрывной рост. Когда коэффициент равен ровно единице, система балансирует на грани между стабильностью и катастрофой.

Используя модель сверхпроводящих сетей, учёным удалось зафиксировать критическую фазу, которая предшествует резким изменениям. Это открытие даёт надежду, что в будущем можно будет предсказывать подобные «точки бифуркации» в реальных системах — от энергетических сетей до экосистем — и вовремя предотвращать катастрофы.

Ранее "Курсор" сообщал, что страстный "поцелуй" косаток в океане запечатлели ученые.