Техника - молодёжи 1985-05, страница 51

прежде всего для описания линейных процессов или же нелинейных, однако протекающих лишь вблизи от состояния равновесия. При анализе нелинейных процессов, далеких от состояния равновесия, приходится прибегать к численному решению. Допустим, мы исследуем динамику системы, состоящей из А частиц Б видов, распространенных в какой-то среде и взаимодействующих между собой. Пусть это будет какая-то система химических реакций в живой клетке. В результате взаимодействий частиц разных видов постоянно появляются частицы с новыми качествами. Зададим математически характер подобного взаимодействия, предложим формулы поведения той среды, где проходят реакции, учтем, как изменяющиеся условия будут изменять саму среду, то есть создавать нелинейность в ее поведении. Нам надо узнать, как долго будут оставаться определенные ча-

в таких расчетах постоянно возникает в науке и технике, скажем, при решении проблемы удержания в ловушках плотной плазмы, при исследованиях образования кристаллических структур, кинетики химических процессов, биологического морфогенеза, эволюции биологических популяций... Один из путей преодоления этих трудностей — переход от дискретной, численной процедуры расчета к аналоговой.

Итак, аналоговые ЭВМ. О них сегодня говорится как-то меньше, чем о цифровых, поскольку применяются они не так широко. Каков же принцип их действия?

Представим себе, что в бассейн вливаются по сотне трубок какие-то химические реагенты, а из сотни других выливаются продукты реакции, сепарированные специальными фильтрами. Нам надо узнать, при каких условиях мы будем получать максимальное количество нужного нам продукта. Конечно, можно все

1Й

L - ЛАЗЕР

ПРО^Р^ЧНАЯ ПОЛИОНЖА

Схема записи информации на биологический фоторегистрирующий материал, созданный на основе белка бактериородопсина. Сфокусированный луч лазера, воздействуя на единич

ные молекулы, меняет их цвет. На диске из такого материала размером с долгоиграющую пластинку можно записать текст нескольких десятков тысяч книг.

стицы «незадействованными», как и куда будет эволюционировать вся система, какие факторы ускоряют эволюцию в желательном для нас направлении, а какие замедляют, возникают ли в системе фазовые переходы, новые структуры... Сегодня способ решения таких задач состоит в прямом численном интегрировании с помощью ЭВМ уравнений движения частиц в частных производных для каждой конкретной взаимодействующей группы частиц. Однако, поскольку подобные методы весьма трудоемки, расчеты становятся невозможными, как только количество частиц А становится больше 10^е — и это даже с учетом перспективы роста быстродействия цифровых ЭВМ. Но задали эти решать надо, потребность

это попытаться подсчитать «цифровым» способом, но мы поступим иначе — меняя на входе количество входящих реагентов, на выходе будем следить за поведением системы, ожидая, после какой one* рации возникнет интересующий нас максимум. Так на каком-то этапе мы получим решение задачи.

Систему с трубами и бассейном можно заменить устройствами, работающими на активных биологических пленках или на пленках, использующих специальным образом организованные химические реакции, например автоволновые. Простейшая модель таких реакций — бикфордов шнур. Энергия — химическая — уже запасена здесь в пороховой начинке, а бегущая как раз вдоль шнура

волна горения и является автоволной. Частицы пороха, сгорая, передают часть энергии другим, еще не загоревшимся частицам, те возбуждаются, вступают в реакцию, и процесс продолжается. До каких пор? Пока не выгорит весь порох, естественно. Но можно представить себе и такой процесс, при котором сгоревшие частицы постоянно обновляются энергетически, восстанавливаются через какое-то время. В этом случае, как только одна волна дойдет до границы активной зоны, другая может вновь возникнуть в ее начале. Каким образом? Или мы снова поднесем к концу шнура спичку, или замкнем его в кольцо, или включим в его систему «самовозгорающиеся» элементы. Процесс станет непрерывным.

Аналог такой реакции открыл в 1956 году еоветский ученый Б. Белоусов. В 1970 году А. Жабо-тинский и А. Заикин создали химически активную среду, где воочию можно было наблюдать автоволновой химический процессор: тонкий слой раствора через определенные промежутки времени менял свою окраску, словно живой.

Автоволновые колебания сопровождают нас повсюду. Это и передача информации в живом организме, и сокращение сердечной мышцы, и начальные этапы морфогенеза у некоторых простых организмов, и процессы активации катализаторов, и многое, многое другое. Каким же образом эти реакции можно приспособить для ЭВМ?

В цифровой ЭВМ быстродействие в конечном итоге определяется скоростью переключения логических элементов (тех, что хранят элементарную информацию в двоичном коде и обрабатывают ее с 0 на 1. Если мы возьмем, молекулу белка размером 30—50 А, то увидим, что перед нами не что иное, как активный элемент активной среды, который может находиться в нескольких устойчивых состояниях. Пусть по такой среде движется автоволна со скоростью, например, 0,1 мм/с (хотя скорости автоволн могут быть и более высокими). В пересчете на цифровой вариант быстродействие соответствующего устройства доставит 10^е операций в секунду. Если белковые молекулы прикрепить к пленке, то кусочек ее размером 1 см² может содержать свыше 10¹² активных молекул. При движении плоской волны по такой пленке каждую секунду убудет происходить 10¹² переключений — завидное быстродействие. Автоволны имеют ряд особенностей, выгодно отличающих их от обычных волн. Они сохраняют постоянными такие свои характеристики, как период, длина волны,

47