Det är verkligen förvånande att många enkla elektroniska kretsar byggda av bara några komponenter beter sig kaotiskt, i en extremt komplicerad, praktiskt taget oförutsägbart sätt. Fysiker från Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences i Krakow har upptäckt, granskat och beskrivit dussintals nya, ovanliga kretsar av denna typ. Det som är särskilt intressant är att en av kretsarna genererar spänningspulser som liknar dem som produceras av neuroner, bara det gör det tusen gånger snabbare.

Bara några transistorer, motstånd, kondensatorer och induktionsspolar räcker för att bygga elektroniska kretsar som beter sig på ett praktiskt taget oförutsägbart sätt. Även i så enkla system, kaotiska svängningar av komplex karaktär visar sig vara normen. I en artikel publicerad i tidningen Kaos , forskarna presenterar 49 nya, ovanliga kaotiska elektroniska oscillatorer – inte avsiktligt utformade, men upptäcktes i datasimuleringar.

"Elektronik är vanligtvis associerad med enheter som fungerar exakt och alltid enligt förväntningarna. Vår forskning visar en helt annan bild. Även i elektroniska kretsar som bara innehåller en eller två transistorer, kaos är allestädes närvarande. De förutsägbara reaktionerna hos vanliga elektroniska enheter återspeglar inte elektronikens art utan konstruktörernas ansträngningar, " säger studiens första författare, Dr Ludovico Minati (IFJ PAN).

Genom kaos, vi menar generellt bristande ordning. Inom fysiken, detta koncept fungerar lite annorlunda. Kretsar sägs uppträda kaotiskt när även mycket små ändringar i ingångsparametrar resulterar i stora förändringar i utdata. Eftersom olika typer av fluktuationer är ett naturligt inslag i världen, i praktiken, kaotiska system visar en enorm variation av beteende - så stor att exakta förutsägelser är mycket svåra, och ofta omöjligt. Kretsen kan alltså verka ganska slumpmässigt, även om dess utveckling följer ett visst komplicerat mönster.

Kaotiskt beteende är så komplext att det än idag det finns inga metoder för att effektivt utforma elektroniska kretsar av denna typ. Så forskarna närmade sig problemet annorlunda. Istället för att bygga kaotiska oscillatorer från grunden, de bestämde sig för att upptäcka dem. Kretsarnas struktur, består av kommersiellt tillgängliga komponenter, mappades som en sekvens av 85 bitar. I den maximala konfigurationen, de modellerade kretsarna bestod av en strömkälla, två transistorer, ett motstånd och sex kondensatorer eller induktionsspolar, ansluten i en krets som innehåller åtta noder. Dessa bitar strängar utsattes sedan för slumpmässiga modifieringar. Simuleringarna gjordes på en Cray XD1 superdator.

"Vår sökning var blind, i ett gigantiskt utrymme som erbjuder 2 ⁸⁵ möjliga kombinationer. Under simuleringen vi analyserade mer eller mindre 2 miljoner kretsar, en extremt liten yta av det tillgängliga utrymmet. Av dessa, cirka 2, 500 kretsar uppvisade intressant beteende, "säger Dr Minati, och betonar att det tidigare var känt om kaotiska elektroniska oscillatorer. Tills nu, dock, det verkade som att de förekom i endast ett fåtal varianter, och att deras konstruktion krävde viss ansträngning och ett lämpligt komplext system.

Forskarna analyserade beteendet hos de nya kretsarna med hjälp av SPICE -programmet, används ofta vid design av elektroniska kretsar. Dock, vid kaotiskt beteende, SPICE:s simuleringskapacitet visade sig vara otillräcklig. Så de 100 mest intressanta kretsarna byggdes fysiskt och testades i laboratoriet. För att förbättra kvaliteten på signalerna som genereras under testerna, forskarna utförde känslig inställning av komponentparametrarna. Så småningom, antalet intressanta kretsar reducerades till 49. Den minsta kaotiska oscillatorn bestod av en transistor, en kondensator, ett motstånd och två induktionsspolar. De flesta kretsar som hittades visade icke-triviala, kaotiskt beteende med en ibland häpnadsväckande omfattning. Denna komplexitet kan visualiseras med hjälp av speciella grafer - attraktörer, geometriskt återspeglar arten av förändringar i kretsen över tid. Statistiska analyser av signalerna som genererades av de nya oscillatorerna gjorde inte, dock, avslöja spår av två viktiga funktioner som finns i många självorganiserande system:kritik och multi-fraktalitet.

"Vi skulle kunna prata om multifraktalitet om olika delar av spänningsvariationsdiagrammet, förstorat på olika platser på olika sätt, avslöjade förändringar liknande de ursprungliga egenskaperna. I tur och ordning, vi skulle hantera kritik om kretsen var i ett tillstånd där den när som helst kunde växla från vanligt till kaotiskt läge eller vice versa. Vi märkte inte dessa fenomen i de undersökta oscillatorerna, " förklarar prof. Stanislaw Drozdz (IFJ PAN, Krakow tekniska universitet). "Kritiska system har generellt sett fler möjligheter att reagera på förändringar i sin egen miljö. Så det är inte konstigt att kritikalitet är ett fenomen som man ofta möter i naturen. Bevis pekar på det faktum att den mänskliga hjärnan, till exempel, är ett system som arbetar i ett kritiskt tillstånd. "

Av särskilt intresse var en av de hittade oscillatorerna, som genererade spänningstoppar som liknar stimuli som är typiska för neuroner. Likheten mellan impulser var slående här, men inte komplett.

"Vår konstgjorda neuronanalog visade sig vara mycket snabbare än dess biologiska motsvarighet. Pulser producerades tusentals gånger oftare. Om det inte var för bristen på kritik och multi-fraktalitet, hastigheten för denna krets skulle motivera att prata om en elektronisk superneuron. Kanske finns en sådan krets, bara vi har inte hittat det än. Just nu, vi måste vara nöjda med vår "nästan superneuron", "" säger Dr Minati.

De krakowbaserade fysikerna har också visat att som ett resultat av att kombinera de hittade kretsarna i par, beteenden av ännu större komplexitet dyker upp. Kopplade kretsar i vissa situationer fungerade perfekt synkront, som musiker som spelar tillsammans. I vissa, en av kretsarna tog över rollen som ledare och i ytterligare andra, det ömsesidiga beroendet mellan oscillatorerna var så komplicerat att det avslöjades först efter noggrann analys av statistik.

För att påskynda utvecklingen av forskning om elektroniska system som simulerar den mänskliga hjärnans beteende, diagrammen över alla kretsar som fysiker från IFJ PAN hittat har offentliggjorts. Alla som är intresserade kan ladda ner dem här:ftp://ftp.aip.org/epaps/chaos/E-CHAOEH-27-012707