Неслучайность тонкой структуры распределений (формы гистограмм) результатов измерений процессов разной природы

2. Неслучайность тонкой структуры распределений (формы гистограмм) результатов измерений процессов разной природы

На рисунке 1 представлены четыре "слоистые" гистограммы, построенные без сдвигов и без сглаживания, каждая по результатам 1200 последовательных измерений радиоактивности препарата 55Fe. Измерения проводили посредством счетчика сцинтилляций и амплитудного анализатора "ORTEC" по числу вторичных рентгеновских квантов 5,9 кэВ и 6,3 кэВ, сопровождающих К-захват при превращении 55Fe в 55Мп. Средняя активность около 31500 имп/36 с. Шаг гистограммы по оси абсцисс 30 имп. Слоевые линии проведены через каждые 100 измерений. Суммарная продолжительность 1200 измерений в каждой гистограмме равна 12ч. Измерения начаты в 23 ч 00 мин 18 февраля 1982 г. и закончены в 23 ч 00 мин 20 февраля 1982 г. На рисунке 1 видно подобие формы всех четырех независимо полученных гистограмм.

На рисунке 2 представлено распределение результатов 15000 измерений A-активности препарата 239Ри, неподвижно укрепленного на полупроводниковом детекторе. Продолжительность одного измерения 6 с. Такие измерения в нашей лаборатории на протяжении многих лет проводятся круглосуточно на нескольких детекторах. Результаты измерений сохраняются в компьютерном банке (архиве) данных. По оси абсцисс на рис. 2 отложены величины радиоактивности (имп/6 с). Средняя активность около 90 имп/6 с. По оси ординат - число измерений с данной величиной A-активности. "Слоевые" линии проведены через каждые 1000 измерений.

На рисунках 1 и 2 видно наличие относительно узких экстремумов - некоторые значения измеряемой величины оказываются более вероятными, чем другие. Эта "полиэкстремальность'' не обусловлена недостаточно большим числом измерений - с ростом числа измерений дискретность также растет - увеличиваются высоты пиков и глубины впадин. Это явление не обусловлено и ''статистической инерцией'': при одновременных или близких по времени измерениях гистограммы данной формы независимо повторяются. При огрублении гистограммы - увеличении величины разряда (шага) - полиэкстремальность нивелируется.

Полиэкстремальность не противоречит подчинению процесса радиоактивного распада статистике Пуассона: существующие статистические критерии согласия гипотез нечувствительны к тонкой структуре таких гистограмм. Вывод о неслучайности этой тонкой структуры следует из сходства формы независимо получаемых гистограмм. Относительная узость "пиков" и "впадин" означает, что полиэкстремальность не является следствием вероятностных причин: ширина этих экстремумов в соответствии со статистикой Пуассона должна быть порядка vN, где N среднеарифметическая величина. Значения Ni для соседних экстремумов очень близки и соответствующие распределения оказались бы взаимно перекрыты.

На рисунках 1 и 2 видно, что по мере увеличения числа измерений форма слоевых линий постепенно приобретает все более определенный вид. Однако, если построить распределения по меньшим выборкам, становится видно, что форма гистограмм все время изменяется. Так, на рис. 3 представлены первые 12 из 150 гистограмм, построенных по 100 последовательным измерениям, тем же, по которым построена слоистая гистограмма рис. 2. Гистограммы для удобства визуального сравнения сглажены. Видно, что форма последовательных гистограмм различна. Можно было бы объяснить эти различия малостью выборки и случайной природой наблюдаемых форм. Однако видно, что форма некоторых гистограмм удивительным образом сходна (7 и 2; 7 и 8, 7 и 72).

Для большей наглядности на рис. 4 совмещен ряд гистограмм этой серии. На рисунке 5 изображены типичные различаемые формы гистограмм. На этом рисунке гистограммы представлены с наложением одной сходной по форме гистограммы на другую для наглядной иллюстрации принятых критериев их сходства. Всего надежно различимо 15-25 вариантов формы - тонкой структуры дискретных распределений - спектра состояний, реализуемых в ходе флуктуаций.

3. Неслучайность повторения формы гистограмм во времени

Очевидна малая вероятность повторного появления гистограмм одной и той же сложной формы. Однако более убедительным свидетельством неслучайности тонкой структуры распределений результатов измерений служит закономерное повторение их во времени. Для этого мы преобразуем получаемые временные ряды в ряды соответствующих гистограмм - распределения 60-100 последовательных чисел - результатов измерений. Для сравнения формы гистограмм и определения величин временных интервалов между сходными гистограммами была использована компьютерная программа "Histogram Manager", разработанная одним из авторов (Э.В. Пожарским). Для удобства визуального сопоставления формы эти гистограммы сглаживаются. При анализе сходства формы гистограмм допустимо их линейное растяжение или сжатие по горизонтали. Чтобы исключить субъективные эффекты, оценка сходства формы производится при зашифрованных номерах последовательных гистограмм. Выводы формулируются в результате сопоставлений десятков и сотен тысяч возможных сочетаний гистограмм. Как правило, число сходных по форме пар гистограмм составляет 2-5 % от числа возможных сочетаний.

В результате такой работы было показано, что повторное появление той же формы в ряду последовательных гистограмм наиболее вероятно в ближайший соседний интервал времени. Это видно на рис. 6а, 6б, где приведено распределение временных интервалов между гистограммами сходной формы. Гистограммы были построены каждая по результатам 60-ти измерений A-активности препарата 239Ри 6 с, т.е. за суммарное время 6 мин. На рисунке 6а интервал по оси абсцисс равен 6 мин. Видно, что вероятность повторения данной формы гистограмм наиболее велика в ближайшем соседнем интервале: на рис. 6а число таких случаев равно 51. В следующем интервале таких случаев 34, затем 24 и т.д. до 10-15 случаев в дальнейшем. На рисунке 6б для тех же самых результатов измерений интервал по оси абсцисс огрублен и равен 1 ч (10 гистограмм). Видно, что в ближайший час число сходных пар равно 275, в следующий - 210, а через 4-5 ч число сходных пар за час уменьшается до 110.

Сходство формы гистограмм в "ближней зоне" - весьма замечательное обстоятельство. Гистограммы строятся по неперекрывающимся рядам результатов независимых измерений. Радиоактивный распад следует статистике Пуассона; атомы распадаются независимо друг от друга. Следовательно, существует внешняя причина сходства формы соответствующих гистограмм. Более того, "идея данной формы" имеет некоторое "время жизни" - вероятность повторного появления данной формы достоверно и воспроизводимо больше в ближайших интервалах и убывает в последующих. А отсюда следует, что каждая из различаемых форм гистограмм неслучайна. Эта неслучайность не обусловлена свойствами измерительных приборов: счетчики работают в логике 0,1. Форма гистограмм не зависит от режима дискриминации амплитуды импульсов, вариантов методов измерений или каких-либо избирательных "предпочтений" пересчетных схем.

Однако неоднократные попытки определения временной характеристики внешней "силы", определяющей форму спектра реализуемых состояний, оказались неудачными. Мы строили гистограммы по одному и тому же числу измерений разной длительности, так что интервалы между гистограммами варьировали от 1 ч до 1 с. Тем не менее вид распределения интервалов был одинаковым - во всех случаях наиболее вероятны оказывалось сходство соседней по времени гистограммы. Эта типичная фрактальность требует для своего объяснения дальнейших экспериментов.

Повторное появление гистограмм данной формы с периодами 24 ч, 27 сут, 365 сут свидетельствует о наличии космофизического фактора, определяющего их форму.

Анализ распределения интервалов между сходными гистограммами в протяженных временных рядах показал, что существует не только относительная, как в"ближней зоне", но и абсолютная временная зависимость повторного появления гистограмм данной формы.

Как видно на рис. 6, наблюдается достоверное возрастание вероятности повторного появления гистограмм данной формы через 24 ч. Весьма важно, что 24-часовой период наблюдается как при продолжительности измерений равной 6 с (6 мин одна гистограмма), так и при продолжительности измерений равной 60 с (60 мин одна гистограмма). В обоих случаях наблюдается достоверное возрастание вероятности повторного появления данной формы гистограмм с периодом около 24 ч.

Наличие 24-часового периода, как и сходство "ближайших соседей", - свидетельство существования внешней, по отношению к изучаемому объекту, природы изучаемого агента. Наиболее вероятна связь этого агента с вращением Земли вокруг своей оси. Понятна желательность более точного определения этого периода, однако для этого необходима дальнейшая работа.

Однако, помимо этой "связи с внешним миром", существуют другие, не менее существенные. Это следует из обнаруженных нами около 27 суточных и окологодичных периодов повторного появления гистограмм данной формы. На рисунке 7 представлено распределение интервалов между повторным появлением гистограмм данной формы в районе 27 сут. Гистограммы также строили по шестидесяти результатам шестисекундных измерений A-активности препарата 239Ри. Разряд распределения на рис. 7 равен 1 ч (10 гистограмм). В более детальном изображении видны несколько экстремумов. На рисунке 7 наиболее выражен экстремум, соответствующий периоду 27-28 сут, что в точности совпадает с синодическим периодом Солнца относительно Земли.

На рисунке 8 представлено аналогичное распределение интервалов повторного появления гистограмм данной формы через 360-367 сут. Видно три резких экстремума - 364,4; 365,2 и 366,6 сут. Второй экстремум кажется "естественным" - это период вращения Земли по околосолнечной орбите. Однако два остальных периода требуют особой интерпретации.

Из всей совокупности данных следует вывод, что "идея формы" - тонкая структура распределений результатов измерений процессов разной природы - определяется космофизическими факторами.