Законы термодинамики гласят, что энтропия замкнутых систем должна расти и рано или поздно всё превратится в равномерный хаос. Однако ничего не запрещает порядку возникать периодически на этом пути. Вокруг нас полно удивительных примеров подобного: синхронизирующиеся метрономы, шатающийся мост Миллениум в Лондоне, реакции Белоусова-Жаботинского и даже работа сердца. Подробнее расскажет Дерек Маллер в новом выпуске Veritasium.
Расшифровка видео
0:00
вот сайт с how it works
0:04
[музыка]
0:07
второй закон термодинамики подсказывает
0:10
нам что все во вселенной стремится к
0:12
хаосу
0:13
a house для сложных систем нормальное
0:16
состояние и мы не ожидаем от вселенной
0:19
особенного порядка тем не менее тут и
0:22
там мы внезапно обнаруживаем
0:23
упорядоченные события
0:25
синхронизация метрономов идеально
0:27
выверенная орбиты спутников одновременно
0:30
и вспышки светлячков и даже размеренно и
0:33
и сердцебиение откуда же взялись
0:37
идеально отлаженные процессы в мире
0:39
стремящимся нарушить любой порядок 10
0:43
июня 2001 года в лондоне к всеобщей
0:47
радости открыли новый мост через темзу
0:49
милениум но когда на другую сторону реки
0:53
хлынула толпа мост закачался полиция
0:58
ограничила вход образовались огромные
1:00
очереди
1:01
тагировна мост качаться не перестал чуть
1:05
а два дня спустя объект на которые
1:08
потратили 18 миллионов фунтов
1:10
закрыли и не открывали для пешеходов и
1:13
еще два года что же пошло не так давно
1:18
известным что военные отряды по мостам
1:20
идут не в ногу эта практика зародилась
1:23
после инцидента в 1831 году тогда под
1:27
ногами 74 человек обрушился висячий мост
1:30
на севере англии или виной тому
1:32
синхронизация шагов si coupe лишь 60
1:36
человек двадцать получили травмы
1:38
переломы и сотрясение счастью никто не
1:42
погиб you’ll be но после этого в
1:44
британской армии действовал приказ
1:46
переходить мосты и обычным шагом а
1:49
теперь приглядитесь к людям на мосту
1:52
миллениум
1:53
но большинство идут в ногу друг с другом
1:56
вот и чем но это ведь не военные обычные
2:01
люди откуда же такое единодушие
2:04
и почему под их напором сдалось
2:06
современная конструкция чтобы это понять
2:10
нам придется вернуться на три с
2:13
половиной века
2:14
назад en 1656 году знаменитый
2:20
голландский физик христиан гюйгенс
2:22
собрал первые часы с маятником гол он
2:25
хотел помочь морякам определять
2:27
местоположение их корабле широту можно
2:30
посчитать исходя из положения солнца или
2:33
и звезд но чтобы определить долготу
2:35
нужно знать точное время в какой-нибудь
2:37
точки за их например порту отправления
2:40
часы в те времена за день взбивались
2:42
минут на 15 и на них нельзя было
2:45
положиться на маятниковые часы гюйгенса
2:48
за то же время расходились лишь на 10 15
2:51
секунд вайкан часы нужно было прикрепить
2:54
какому-нибудь подвешенному тяжелому
2:56
предмету на борту чтобы хоть как-то
2:58
стабилизировать их положений это еще не
3:02
забыть про запасные если одни вдруг
3:04
остановится ли сломаются приболевший
3:07
гюйгенс занялся проверкой такой схема у
3:10
себя дома в феврале 1665 и сделал
3:13
интересное открытие wiggins положил
3:15
балку на спинки стульев подвесил часы на
3:18
нее и принялся наблюдать как
3:20
раскачивается май некий ученый заметил
3:23
что примерно через полчаса они начинали
3:26
двигаться согласовано звон синхронно
3:28
раскачивались противоположных
3:30
направлениях первые часы делали titles
3:33
that you dance пытался нарушить
3:36
согласованность хода но через полчаса
3:39
движения маятника
3:40
снова синхронизировалась ученый решил
3:45
что это причудливая взаимная симпатия
3:46
маятника вследствие движения воздуха
3:49
между ними за когда он разделил часы
3:51
доской но это не помешало маятником
3:55
синхронизироваться воздух оказался не
3:57
причем
3:58
вы на большом расстоянии друг от друга
4:00
маятники качались в собственном ритме
4:02
рекам но стоило поставить часы рядом
4:05
синхронность возвращалась и тогда юге нс
4:08
понял маятники качаются согласовано
4:10
из-за того что часы висят на 1 балки она
4:14
передавала механические колебания между
4:16
часами связывая движение двух
4:18
осцилляторов
4:19
you gain с первым заметил спонтанную
4:22
синхронизацию неодушевленных объектов и
4:25
хотя он прекрасно описал свои наблюдения
4:29
ученые лишь несколько десятилетий назад
4:31
взялись за тщательную проработку теории
4:34
синхронизации возможно вам попадались
4:40
ролики где на ней стабильную платформу
4:42
ставят метроном и
4:44
и запускает их в разнобой только не
4:48
падай и это сложнее чем кажется на
4:53
первый взгляд
4:54
но когда все наконец получается
4:57
начинается какая-то магия
5:14
собственная частота в этих метрономов
5:17
немного разно
5:18
но при этом движутся они синхронно и
5:21
чтобы понять как это происходит из лучше
5:23
начать с 2 метрономов синхронными
5:26
колебаний сын квоты чада когда груз
5:29
отклоняется влево
5:30
у толкает платформу вправо на когда груз
5:33
уходит вправо платформа сдвигается влево
5:35
центр массы этой системы остается
5:38
примерно в 1 .
5:40
если запустить 3 метроном и в его
5:43
собственном ритме стью платформа с
5:45
каждым своим движением будет чуть-чуть
5:47
его подгонять пока движение всех трех не
5:50
синхронизируется
6:02
[музыка]
6:08
это работает с любым количеством
6:09
метрономом какую сторону качнулась
6:12
большинство туда и сдвинется платформа
6:17
положение маятника или метроном и можно
6:19
представить как точку на окружности так
6:24
мы покажем его фазу вот то есть
6:26
положение относительно собственного
6:27
цикла и крайнюю правую точку мы
6:30
обозначим как 0 градусов крайне левую
6:32
как что 80 тогда раскачивание маятника
6:36
будет выглядеть как движение точки по
6:38
кругу да и чем быстрее колебания тем
6:41
быстрее она перемещается по окружности
6:44
это колебание 2 метрономов с разной
6:47
частотой
6:48
а сейчас колебания метрономов с одной
6:52
частотой но в разных фазах
6:55
местными метрономов совпадает и чистота
6:58
и фаза точки на окружности тоже совпадут
7:01
такая визуализация позволяет
7:03
продемонстрировать математическую модель
7:05
того как происходит синхронизация
7:07
это называется модель курамото согласно
7:10
ей скорость которой каждый из точек
7:12
проходит окружность равна естественная
7:14
чистоте маятника плюс некоторое число
7:17
отражающая и и удаленность от остальных
7:19
точек
7:20
она зависит от того насколько осцилятора
7:23
и друг с другом связаны
7:24
я обычно для наглядности представляю
7:27
бегунов на стадионе например вы пришли
7:30
на тренировку с другом который бегает
7:32
быстрее он вас подгоняет говорит
7:35
развешивали ногами а вы отстаете
7:38
плететесь позади sale если вам хватит
7:41
сил поднажать друг проявят немного
7:44
сочувствие и притормозит ваша связь
7:48
достаточно сильная чтобы компенсировать
7:50
разницу собственных скоростях подкину
7:53
если вы не такие уж друзья или например
7:57
ускориться у вас никак не получается
7:59
выходит связи недостаточно и один всегда
8:02
будет обгонять другого видимо светлячки
8:06
на юго-востоке азии
8:08
все отлично ладят пика настолько что
8:10
начинает синхронно мигать и в на у
8:12
каждого по отдельности есть собственная
8:14
любимая чистота
8:16
но они подстраиваются друг подруга и
8:18
сотни даже тысячи огоньков вспыхивают в
8:22
один и тот же миг агент не текей создал
8:25
отличную модель
8:26
поначалу вспышки происходят
8:28
беспорядочность но можно включить режим
8:31
взаимодействия в рамках моделей курамото
8:35
это будет значить что каждый огонек
8:37
влияет на все другие компьютерные модели
8:40
кейса светлячки влияют только на
8:42
ближайших соседей насекомое видит рядом
8:44
вспышку и немного подгоняет свои
8:46
внутренние часики чтобы в следующий раз
8:48
вспыхнуть чуть раньше поразительные
8:51
всего то что пусть взаимодействия
8:53
происходит только на небольшом
8:55
расстоянии спустя некоторое время
8:57
огоньки
8:58
начинают расходиться волнами подождем
9:01
еще чуть-чуть и вот они все мерцают
9:03
одновременно
9:06
аким можно подумать что синхронизация
9:08
системы будет расти по мере усиления
9:10
связи
9:12
но дело не в этом вспомнить его даже не
9:15
постепенно замерзает при охлаждении
9:17
температура падает и падает а в бутылке
9:20
тоже вода доходим до критической отметки
9:22
молекулы вдруг фиксирует свое положение
9:25
кристаллизуются происходит фазовый
9:27
переход в модели примерно тоже самое
9:29
только относительно времени они
9:31
пространство маятники вдруг фиксируют
9:33
свою фазу когда связь между ними
9:35
достигает критической отметки по сути
9:38
такого рода кристаллизацию во времени мы
9:41
и называем синхронизацией вот в
9:45
будапеште зрители аплодируют артистом
9:48
после представления дальше произойдет
9:50
нечто абсолютно спонтанно никто не дает
9:54
никому указаний попробуйте уловить
9:56
фазовый переход
10:00
[музыка]
10:11
феномене синхронизация котором мы
10:14
собственно говорим самым интересным не
10:16
видится то насколько он универсален
10:18
подобное происходит на самых разных
10:20
масштабах от субатомного
10:22
до космического и связь может
10:25
поддерживаться по всем каналам которые
10:27
дал нам мир будь что гравитационное
10:29
взаимодействие электрическое химическое
10:32
или механическая
10:34
любой способ которым два объекта могут
10:36
общаться природа наверняка уже
10:38
приспособила для синхронизации вспомним
10:41
к примеру луну
10:42
мы всегда видим только одну ее сторону
10:44
потому что она делает ровно один оборот
10:47
вокруг своей оси за один оборот вокруг
10:49
земли мы говорим что она находится
10:52
прилив нам захвате земли и но это не
10:54
редкое явление в солнечной системе целых
10:56
тридцать четыре спутника находятся в
10:58
таком же состоянии
11:00
работает это примерно так изначально у
11:03
каждого спутника ей собственная частота
11:05
вращения
11:06
но с той стороны что ближе к планете
11:08
притяжение сильнее
11:10
клон кс , и спутник под его воздействием
11:12
вытягивается эффект усилен для
11:15
наглядности и вращение вокруг своей оси
11:18
никуда не делась спутник поворачивается
11:20
к планете другим луком но сила
11:23
притяжения стремится вернуть всё как
11:25
было замедляя вращение спутника пока тот
11:29
не окажется всегда повёрнут к планете
11:31
одной стороны въезд и спутник движется
11:34
слишком медленно тут же процесс его
11:37
ускоряет с тем же результатом
11:39
солнечные системы можно найти и другие
11:41
прекрасные примеры синхронизации
11:44
например три внутренних спутника юпитера
11:46
и у европы и ганимед находится прилив
11:50
нам захвате с планеты а еще их орбиты
11:52
пропорциональны друг другу
11:54
1 к 2 4 пока ганимед обходит юпитер один
11:58
раз европы успевать сделать два круга я
12:00
его 4 1950-ых советские химики принялись
12:08
искать реакции с периодическими
12:10
колебаний этакий химический аналог might
12:13
белка так люди может ли вещество менять
12:16
цвет с оранжевого на синий туда-сюда
12:19
мы бы наверное сказали нет конечно есть
12:23
ведь термодинамика согласно которой в
12:25
замкнутых системах
12:26
энтропия только растет и в итоге они
12:29
приходят к равновесию но не в химии не в
12:33
термодинамике нет закона который бы
12:35
гласил что к равновесию нужно идти
12:37
равномерно на этом пути могут быть и
12:41
колебания которые придут к равновесию
12:43
постепенно
12:44
именно это и выяснил борис белоусов и
12:47
позже подтвердил анатолий жаботинский
12:50
пошла с реакции так и назвали реакция
12:53
белоусова жаботинского я ускорил ее и
12:56
для видео смена одного цвета на другой
12:58
может занимать более получаса
13:00
темно-оранжевый держится еще дольше так
13:03
что эти фрагменты ускорены сильнее
13:06
поразительное зрелище регулярные
13:09
изменения цвета в ходе химической
13:11
реакции вещества ведут себя как часы как
13:15
маятник
13:16
при постоянном размешивании одновременно
13:19
взаимодействуют не знаю квадриллионы
13:23
молекул в один и тот же момент с другой
13:27
стороны если не размешивать если просто
13:30
залить все в чашку петри мне кажется мы
13:33
увидим нечто ещё более удивительна и
13:35
пути ставят на цвета начнут сменять друг
13:38
друга по жидкости будут расходиться
13:40
круги то одного то другого цвета
13:43
тут важно отметить никакого движения
13:45
жидкости нет
13:47
это не рябь на поверхности это меняется
13:51
концентрация веществ
13:53
получаются такие голубоватые волны не
13:57
механические и химические они расходятся
14:01
по чашке петри
14:02
у них постоянная скорость иногда это
14:06
спирали которые раскручиваются и
14:08
становятся все длиннее и вот немного
14:12
жутковатое совпадение
14:14
тоже самое можно заметить в человеческом
14:16
сердце дабл округе распространения
14:19
возбуждения они ведут себя точь-в-точь
14:22
как спирали возникающей в реакции
14:24
белоусова жаботинского
14:25
это пробудила интерес моего наставника
14:28
артура уинфри
14:29
волны цвета в химических реакциях
14:32
помогли ему лучше понять аритмию и
14:36
возможно вы слышали обо ритме которые
14:38
иногда приводит к смерти за считанные
14:40
минуты желудочковой аритмии
14:43
а именно фибрилляция желудочков наблюдая
14:46
за поведением кругов на сердце
14:48
сравнивает с тем что происходило в чашке
14:51
петри
14:51
артур смог выдвинуть предположение о
14:54
причинах фибрилляции желудочков
14:56
это например поможет нам создать более
14:59
эффективные более щадящие
15:02
дефибрилляторы как один из вариантов
15:05
ведь при фибрилляции именно
15:06
рассинхронизация мешает качать кровь что
15:09
в итоге приводит к смерти
15:10
это недостаточная синхронизация это
15:13
плохо 1 чрезмерное не обходится без
15:16
последствий
15:17
еще помните качающейся мозг милене
15:20
оказывается проблема в том что толпа
15:23
вдруг пошла синхронно что же все дело в
15:25
людях которые спровоцировали колебания
15:28
каком-то смысле все наоборот там
15:31
уникальная конструкция моста напоминает
15:33
гирлянды
15:34
забыть в отличие от обычного подвесного
15:37
моста
15:38
несущий трос и тянутся вдоль него на
15:41
манер гитарных струн ткать worst винкс
15:44
из любого учебника где описана
15:46
строительство мостов
15:47
вы узнаете что нельзя строить пешеходный
15:50
мост с частота колебаний которого будет
15:52
совпадать с чистотой пешей ходьбы мы
15:54
делаем примерно два шага в секунду 1
15:57
правой ногой один левый
15:59
в те кто строит пешеходные мосты должны
16:02
знать что нельзя оставлять резонансную
16:04
частоту по вертикали в 2 герца те кто
16:08
строил мост миллениум тоже это знали но
16:13
абсолютно никто в то время не догадался
16:15
что половина от этой частоты тоже важно
16:18
1 цикл в секунду это то как мы при
16:22
ходьбе опускаем например левую ногу
16:24
делаем один шаг почему это важно потому
16:27
что когда вы идете по мосту с каждым
16:31
шагом левый вы немного толкаете его в
16:34
бок в обычной ситуации это роли не
16:37
играет каждая идет со своей скоростью в
16:40
своем ритме и мост толкают в сторону
16:43
примерно в десять раз слабее чем его
16:45
толкают вниз подобным воздействием можно
16:48
пренебречь по но если частота
16:51
горизонтальных колебаний моста
16:53
1 герц как было и у millennium а то и
16:57
такой силы оказывается достаточно чтобы
17:00
его раскачать мост закрыли инженеры
17:04
запускали туда людей все большими
17:06
группами и следили за поведением моста
17:09
50 человек погоды не делают сотни
17:12
пешеходов едва ли меняли и ситуацию при
17:15
150 6 пешеходах значительного эффекта
17:18
тоже не было ты но когда людей стало на
17:21
10 больше
17:22
166 мост вдруг начал раскачиваться один
17:30
в один как в день открытие произошёл
17:34
фазовый переход оказывается людям не
17:38
нравится ходить по неустойчивой
17:39
поверхности по платформе которая
17:41
шатается под ногами поезде или в лодки
17:45
на воде поднимаясь в полный рост
17:47
пассажиры расставляют ноги чтобы занять
17:51
устойчивое положение
17:52
я на мосту люди шагали в такт с
17:55
раскачиванием это отлично видно на
17:58
записи
17:59
би-би-си как все происходит невероятное
18:03
довольно безумно и так мост раскачивался
18:05
не из-за того что люди шлейф так пол это
18:08
люди начали идти в такт
18:10
из-за того что мост раскачивался вас на
18:13
постепенно каждый человек подхватил ритм
18:16
у него менялась походка в итоге мозг
18:18
получал больше энергии и раскачивался
18:21
еще сильнее образовалась петля обратной
18:25
связи движения моста заставило людей
18:27
шагать в такт а это в свою очередь
18:29
заставила мост качаться еще сильнее
18:31
из-за чего люди шли синхрон не
18:33
и так далее едва это выяснилось инженеры
18:37
поняли что все что нужно ослабить эту
18:39
связь по всему мосту установили
18:42
рассеивающая энергию демпферы было
18:45
весьма неприятное стыдно тратить на
18:47
починку несколько миллионов фунтов
18:51
редукционизм наш главный инструмент в
18:54
науке мы только и делаем что разбиваем
18:55
проблему на мелкие фрагменты и изучаемых
18:58
этот подход отлично работает в любой
19:01
области но сегодня встал другой вопрос
19:04
что дальше как теперь собрать эти части
19:08
чтобы понять целое это и есть проблема
19:11
сложных систем
19:12
она-то и мешает нам разобраться с
19:15
работой иммунитета природой нашего
19:17
сознания или экономикой целое это больше
19:20
чем сумма фрагментов дат это девиз всей
19:24
моей научной карьеры только и пытаюсь
19:27
разобраться как понять свойства целого
19:29
зная лишь свойство его частей
19:33
переведено и озвучено студией вверх
19:36
дайвер
