Введение

Очевидный парадокс в теории хаоса

В физике проблема Ферми–Паста–Улам–Цингу (FPUT), или ранее проблема Ферми–Паста–Улам, представляла собой кажущийся парадокс в теории хаоса: многие достаточно сложные физические системы демонстрировали почти точно периодическое поведение – называемое рекуррентностью Ферми–Паста–Улам–Цингу (или рекуррентностью Ферми–Паста–Улам) – вместо ожидаемого эргодического поведения. Это стало неожиданностью, поскольку Энрико Ферми, безусловно, ожидал, что система быстро достигнет теплового равновесия. То есть, предполагалось, что все колебательные моды в конечном итоге проявятся с одинаковой интенсивностью, в соответствии с теоремой об равнораспределении энергии или, в более общем смысле, эргодической гипотезой. Однако эта система, казалось, избегала эргодической гипотезы. Хотя рекуррентность легко наблюдается, со временем стало очевидно, что при значительно более длительных временных интервалах система все же достигает теплового равновесия. Было предложено множество конкурирующих теорий для объяснения поведения системы, и она остается предметом активных исследований. Изначальной целью было найти физическую задачу, достойную численного моделирования на новом компьютере MANIAC. Ферми полагал, что достижение теплового равновесия станет такой задачей. Таким образом, это одно из первых применений цифровых компьютеров в математических исследованиях; одновременно, неожиданные результаты положили начало изучению нелинейных систем.

Эксперимент FPUT

Летом 1953 года Энрико Ферми, Джон Паста, Станислав Улам и Мэри Цингу провели компьютерное моделирование вибрирующей струны, которое включало нелинейный член (квадратичный в одном тесте, кубический в другом и кусочно-линейное приближение к кубическому в третьем). Они обнаружили, что поведение системы оказалось существенно отличным от того, что можно было бы ожидать, исходя из интуиции. Энрико Ферми полагал, что после множества итераций система должна была бы продемонстрировать термализацию – эргодическое поведение, при котором влияние начальных мод колебаний затухает, и система становится более или менее случайной, с примерно одинаковым возбуждением всех мод. Вместо этого система проявила очень сложное квазипериодическое поведение. Они опубликовали свои результаты в техническом отчете Лос-Аламоса в 1955 году. Энрико Ферми умер в 1954 году, поэтому этот технический отчет был опубликован уже после его смерти. В 2020 году журнал National Security Science опубликовал статью о Цингу, включающую её комментарии и исторические размышления о проблеме FPUT. В статье Цингу вспоминает: «Я помню, как однажды сидела с Пастой и Уламом», когда они обсуждали «какие-нибудь задачи, которые мы могли бы решить на компьютере, действительно математические задачи». Они пробовали разные варианты, но в итоге «пришли к идее этой вибрирующей струны». Эксперимент FPUT был важен как с точки зрения демонстрации сложности поведения нелинейных систем, так и с точки зрения оценки ценности компьютерного моделирования для анализа систем.

Изменение названия

В оригинальной статье авторами указаны Ферми, Паста и Улам (хотя Ферми умер до завершения работы над отчетом) с благодарностью Цингу за ее вклад в программирование симуляций на MANIAC. Вклад Мэри Цингу в проблему FPUT долгое время оставался незамеченным научным сообществом, пока не были опубликованы дополнительные сведения о разработке и не прозвучали призывы переименовать проблему, чтобы признать ее авторство.

Система решетки FPUT

Ферми, Паста, Улам и Цингу смоделировали вибрирующую струну, решив следующую дискретную систему ближайших связанных осцилляторов. Мы следуем объяснению, представленному в статье Ричарда Палеса. Пусть существует N осцилляторов, представляющих струну длиной с равновесными положениями , где – расстояние между узлами решетки. Тогда положение j-го осциллятора как функция времени будет , что дает смещение от равновесия. FPUT использовали следующие уравнения движения:

Это просто второй закон Ньютона для j-й частицы. Первый член – это обычная форма закона Гука для силы. Член с – это нелинейная сила. Мы можем переписать это в терминах непрерывных величин, определив скорость волны , где – модуль Юнга для струны, а – плотность: