ЕЩЕ НЕМНОГО О ШУМАХ

Комментарий к статье
В.Жвирблиса "Загадка фликкер-шума"

М. Герценштейн,
доктор физико-математических наук

        Вы прочли монолог «лирика» о шумах; мне как физику надлежит его дополнить.

        Избыточным низкочастотным шумам, или фликкер-шумам, сейчас уделяется очень много внимания. Почему? Пожалуй, по двум причинам. Во-первых, именно низкочастотные шумы приводят к медленному случайному «плаванию» характеристик радиотехнических устройств, что ограничивает точность выполняемых с их помощью измерений. Во-вторых, природа этих шумов не ясна, само их существование существование представляет— вызов современной физике.

        Сначала буду говорить только о фликкер-шумах в радиотехнике. Возьмем кусочек полупроводника либо очень тонкую металлическую проволоку или пленку. Внутри этих образцов что-то происходит, в результате чего их сопротивление медленно изменяется то в одну, то в другую сторону — флуктуирует. Что именно происходит, мы не знаем, но эти флуктуации можно обнаружить, если через образец пропустить ток. Чувствительность измерений тока чрезвычайно велика: они позволяют наблюдать флуктуации сопротивления, происходящие в девятом-десятом знаке после запятой, если среднее сопротивление образца принять за единицу.

        Опыт показывает, что мощность фликкер-шума оказывается обратно пропорциональной частоте. Это значит, что медленные изменения свойств образца оказываются более вероятными. чем быстрые, и эта зависимость остается верной для очень низких частот, вплоть до миллионных долей герца, что соответствует периодам длительностью до десяти суток.

        И сразу же возникает вопрос: почему медленные? Медленный процесс — это большая инерция, хорошая память. Такая инерционность понятна, если речь идет о каком-либо астрофизическом явлении, то есть явлении, происходящем в системе огромных размеров. Но что происходит в маленьком образце? Откуда у него инерция, память, если все протекающие в нем процессы, связанные с движением носителей заряда, измеряются малыми долями секунды?

        Неоднократно высказывалась мысль, что фликкер-шумы связаны со старением образца, которое происходит случайными толчками. В некоторых особых случаях это предположение вроде бы оправдывается; но что и как может стареть в тонкой пленке, изготовленной из чистого металла? И действительно, хотя такая пленка и шумит, оказывается, что интенсивность шума не зависит от возраста образца...

        Низкочастотные шумы наблюдаются не только при протекании тока через проводник, но и в других случаях, упомянутых в статье. При этом важно, что для совершенно разных физических объектов спектр шума оказывается одним и тем же, и хотелось бы думать, что и в механизмах его возникновения есть много общего. Но что именно?

        В физике и технике часто возникают колебания и волны — это механические коле­бания маятника, электрические колебания в контуре генератора, колебания атомов в молекуле и так далее. Все эти явления описываются одинаковыми уравнениями независимо от того, что именно колеблется. Поэтому иногда говорят, что существует «интернациональный язык тео­рии колебаний». А в теории фликкер-шума такого языка пока нет.

        В статье говорится о возможности космического воздействия на вещество, которое и вызывает некоторые фликкер-шумы. Если говорить о радиотехнических устройствах, то в них шумы вызываются только внутренними причинами. Так, шумы измерялись в разных, близко расположенных частях одного и того же образца, и оказалось, что они происходят совершенно независимо. Кроме того, в данном случае интенсивность фликкер-шумов более или менее постоянна во времени, и это тоже говорит против существования какого-то «дирижера», управляющего флуктуациями.

        И вообще для физики предположение о существовании какого-то внешнего «дирижера» представляет собой очень большую трудность. Возникает вопрос: чем он дирижирует, как его воздействие доходит до управляемого объекта? Физика знает только четыре типа взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Свойства этих сил хорошо известны, и все они хорошо регистрируются приборами. И нет никаких сомнений в том, что эти взаимодействия не могут передавать приказы космического «дирижера».

        Но если эти приказания все же, передаются, то должны существовать некие еще не из­вестные нам физические поля, которые почему-то проявляют себя только на низких частотах. Надо сказать, что некоторые теоретические возможности такого рода обсуждаются в научной литературе, но прямых экспериментальных данных в их пользу пока еще нет. А недостаточно надежные и порой противоречивые данные о связи фликкер-шумов, наблюдаемых в разных местах Земли и на разных объектах, встречаются с большим недоверием.

        В популярной статье должен быть «счастливый конец»,— говоря о тех или иных загадках природы, полагается рассказать и о том, как эти загадки были решены, какую пользу они принесли науке и практике. К сожалению, применительно к фликкер-шумам этого сделать еще нельзя, загадка еще не решена и даже не ясно, с какого конца к ней подступиться. Но это обычное дело, когда речь идет о переднем крае науки.