The Consequences of the modulation instabilities

There are various cases of the development of the modulation instability of intense periodic structures in wave and non-wave media (see, for example [1]). The peculiarity of the modulation instability is the appearance of the perturbation spectrum, which is practically sym-metric with respect to large amplitude wave vector [2 - 6]. The modes of the perturbation spectrum are improper for a given medium, as a rule. The cases of different dis-sipation levels of large amplitude wave, in the presence of a source that supports it existence, are considered. In the case of a large dissipation level, near and above the threshold, the instability leads to the excitation of spectra whose width narrows, forming narrow spectral lines [7]. The line spectrum creates the conditions for the development of a more large-scale modulation [8]. Thus, the modulation instabilities near the threshold represent a cascade of processes with an increasing characteristic time of development and a larger characteristic scale [9, 10].The paper demonstrates the consequences of modulation instability of intense periodic structures in wave and non-wave media. In the case of a large dissipation level, near and above the threshold, the instability leads to the excitation of spectra whose width narrows, forming narrow spectral lines and self-similar structure of the big spatial clearness. At an insignificant level of dissipation, far from the threshold of modulation instability, the wave motion (initiated by the source) forms anomalous amplitude waves and envelopes exceeding the average amplitude by at three times. The shape of the envelope or wave packet is similar to the shape of Peregrine breather, and the dynam-ics over time is also similar. The formation of self-similar spatial structures in the developed convection of a thin liquid or gas layer due to the development of modulation instability is presented. In this case, toroidal convection vortices generate poloidal vortices of large scale − the effect of a hydrodynamic dynamo. Experimental results of the investigation of emerging self-similar structures on the graphite surface are presented. The features of the develop-ment of parametric instabilities are discussed

The world of strategies with memory

As part of a generalized ”prisoners’ dilemma”, is considered that the evolution of a population with a full set of behavioral strategies limited only by the depth of memory. Each subsequent generation of the population successively loses the most disadvantageous strategies of behavior of the previous generation. It is shown that an increase in memory in a population is evolutionarily beneficial. The winners of evolutionary selection invariably refer to agents with maximum memory. The concept of strategy complexity is introduced. It is shown that strategies that win in natural selection have maximum or near maximum complexity. Despite the fact that at a separate stage of evolution, according to the payout matrix, the individual gain, while refusing to cooperate, exceeded the gain obtained while cooperating. The winning strategies always belonged to the so-called respectable strategies that are clearly prone to cooperation

On new representations of well-known physical phenomena

New theoretical description of well-known physical phenomena are announced. 1. The description of wave interaction in plasma in terms of spontaneous and stimulated processes is discussed. Such a description is not only attractive from the methodological point of view, but also offers new possibilities for the understanding of physical processes related to the interaction of radiation with matter. Moreover, there exists an intimate relationship between spontaneous and stimulated processes that can simplify the calculation of nonlinear terms for systems with multi-wave interactions. 2. It is shown by the example of two-level system that generation of coherent radiation is realized in excess of the threshold, determined by the equality of the squared population inversion to the half of the total number of all possible states. 3. The spectrum of waves emitted by oscillator, trapped in an external potential well is analyzed. It is assumed that the eigenfrequency of the oscillator is much greater than the frequency of oscillations in the potential well. The effect of the recoil on the absorption and emission of the oscillator is discussed. Since the energy of the slow oscillations in well is equal to the recoil energy, the intensity of the absorption and emission lines at the eigenfrequency exceeds the intensity of other spectral lines. 4. The formation of gravity surface waves with abnormally high amplitude, that occurs only in initial stage of nonlinear regime of modulation instability in the ocean, is considered. 5. The intensive long-wave Langmuir oscillation in plasma has been generated by a high-current charged-particle beam and a maser radiation is unstable. It being known the field energy density often exceeds the thermal energy density of plasma. In this case the modulation instability of intensive oscillation results one plasma density cavity over a wavelength of the intensive oscillation. It is shown, that kinetic limitation mechanism of cavity deepening is the local capture of ions. It should be noted, the potential of cavity is quite low for capture of great part of electrons with considerable kinetic energy. Анонсовано нові описи відомих фізичних явищ. 1. Обговорюється опис хвилевих взаємодій в плазмі у термінах спонтанних та вимушених процесів. Такий опис привертає увагу не тільки з методологічної точки зору, а також відкриває нові можливості для розуміння фізичних процесів, що відносяться до взаємодії випромінювання з речовиною. Крім того існує значний зв'язок між спонтанними та вимушеними процесами, що дозволяє спростити обчислення нелінійних доданків в виразах для багатохвильових процесів. 2. На прикладі дворівневої системи показано, що виникнення когерентного випромінювання можливо при перевищенні порогу, що визначається рівністю квадрата інверсії половині повного числа станів системи. 3. Проаналізовано спектр хвиль, що генерує осцилятор, який захвачено в зовнішню потенційну яму. Власна частота осцилятора набагато більша частоти його коливань в потенційної ямі. Враховано ефект віддачі осцилятора при випромінюванні та поглинанні. В тому випадку, коли енергія віддачі дорівнює енергії повільних коливань осцилятора в потенційної ямі, інтенсивність ліній випромінювання та поглинання на його власної частоті значно перевищує інтенсивність інших ліній спектру. 4. Показано, що формування гравітаційних поверхневих хвиль аномально великої амплітуди в океані можна побачити тільки на начальної стадії нелінійного режиму модуляційної нестійкості хвиль в океані. 5. Інтенсивні довгохвилеві ленгмюрівські коливання, що генеруються пучками заряджених часток та мазерним випромінюванням, виявляються модуляційне нестійкими. Досить часто густина енергії поля значно перевищує густину теплої енергії плазми. В цьому випадку результатом модуляційної нестійкості є виникнення однієї каверни густини плазми на масштабі довжини інтенсивної хвилі. Показано, що кінетичним механізмом обмеження процесу поглиблення каверни є локальний захват іонів. Відмічається, що потенціал каверни замалий для захвату значної частини електронів, які мають значну кінетичну енергію. Анонсированы новые описания известных физических явлений. 1. Обсуждается описание волновых взаимодействий в плазме в терминах спонтанных и индуцированных процессов. Такое описание привлекательно не только с методологической точки зрения, но и открывает новые возможности для понимания физических процессов, относящихся к взаимодействию излучения с веществом. Кроме того, существует глубокая связь между спонтанными и индуцированными процессами, которая позволяет упростить вычисления нелинейных слагаемых в выражениях для многоволновых взаимодействий. 2. На примере двухуровневой системы показано, что возникновение когерентного излучения возможно при превышении порога, определяемого равенством квадрата инверсии населенностей половине полного числа состояний системы. 3. Изучен спектр волн, генерируемых осциллятором, захваченным во внешнюю потенциальную яму. Собственная частота осциллятора при этом много больше частоты его колебаний в потенциальной яме. Учитывается эффект отдачи осциллятора при излучении и поглощении. В том случае, если энергия отдачи равна энергии медленных колебаний осциллятора в потенциальной яме, интенсивность линий излучения и поглощения на его собственной частоте превышает интенсивности других спектральных линий. 4. Показано, что формирование гравитационных поверхностных волн аномально большой амплитуды, происходит только на начальной стадии нелинейного режима модуляционной неустойчивости океанского волнения. 5.Генерируемые пучками заряженных частиц или мазерным излучением интенсивные длинноволновые ленмюровские колебания плазмы оказываются модуляционно неустойчивы. Причем часто плотность энергии поля достигает и порой превосходит плотность тепловой энергии плазмы. В этом случае результатом модуляционной неустойчивости является возникновение каверны плотности плазмы на масштабах длины интенсивной волны. Показано, что кинетическим механизмом стабилизации дальнейшего углубления каверны плотности является локальный захват ионов. Отмечено, что потенциал каверны оказывается недостаточным для захвата большей части электронов, обладающих значительной кинетической энергией

On the nature of coherents in the system of oscillators

The paper presents the transition to the regime of induced radiation of a system of oscillators in the classical and the quantum cases. This transition occurs due to synchronization by the integral field of the phases of a small part of oscillator-emitters. In the quantum analogue of this model, it is shown that the formation of an induced (and, therefore, coherent, as noted by Ch. Towns) pulse of the field is due to the interference of nutation of population inversion in different regions of the system of oscillators. The law of spatial variation of the field intensity is determined by the dispersion characteristics of the system and the level of absorption or output of the radiation energy. Only a small fraction of oscillators provide induced radiation: 8% in the classical case and half as much in the case of a quantum system, where a change in the sign of population inversion in the regions of the highest field values significantly affects the limitation of the radiation intensity.Представлено перехід у режим індукованого випромінювання подібних систем осциляторів у класичному і квантовому випадках. Цей перехід відбувається через синхронізації інтегральним полем фаз невеликої частини осциляторіввипромінювачів. У квантовому аналозі цієї моделі показано, що формування індукованого (а отже, когерентного, як відзначав ще Ч. Таундс) імпульсу поля відбувається через інтерференцію нутації інверсії заселеності в різних областях простору системи осциляторів, де закон просторової зміни інтенсивності поля визначається дисперсійними характеристиками системи і рівнем поглинання або виведення енергії випромінювання. Лише невелика частка осциляторів забезпечує вимушене випромінювання: 8% у класичному випадку і вдвічі менше в разі квантової системи, де на обмеження інтенсивності випромінювання істотно впливає зміна знаку інверсії заселеності в областях максимальних значень поля в системі.Представлен переход в режим индуцированного излучения подобных систем осцилляторов в классическом и квантовом случаях. Этот переход происходит из-за синхронизации интегральным полем фаз небольшой части осцилляторовизлучателей. В квантовом аналоге этой модели показано, что формирование индуцированного (а следовательно, когерентного, как отмечал еще Ч. Таундс) импульса поля происходит из-за интерференции нутаций инверсии населенностей в разных областях пространства системы осцилляторов, где закон пространственного изменения интенсивности поля определяется дисперсионными характеристиками системы и уровнем поглощения или вывода энергии излучения. Лишь небольшая доля осцилляторов обеспечивает индуцированное излучение: 8% в классическом случае и вдвое меньше в случае квантовой системы, где на ограничение интенсивности излучения существенно влияет изменение знака инверсии населенностей в областях наибольших значений поля в системе

Effect of induced interference and the formation of spatial perturbation fine structure in nonequlibrium open-ended system

It is shown, that the modes of unstable spectrum of instability near threshold are able to form long-living spatial fine structure and anomalous interference splashes, induced by the pump.Показано, что моды нестабильного спектра неустойчивости вблизи порога способны сформировать долго живущую тонкую структуру и аномальные интерференционные всплески, индуцированные накачкой.Показано, що моди нестабільного спектру нестійкості поблизу порогу здібні сформувати тривало живучу тонку структуру та аномальні інтерференційні сплески, індуковані накачкою

Will the artificial intelligence help us?

Автор: Володимир Куклін, д.ф.-м.н., проф., завідувач кафедри, Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Харків, Україна. E-mail: [email protected] Рецензент: Олександр Кузнецов, д.т.н., проф., Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна, Харків, Україна. E-mail: [email protected] what can help us (humanity) artificial intelligence. The unification of artificial neural networks and decision-making expert systems based on the logic has discussed. The integration of formed (human) concepts of the system of fuzzy logic and artificial neural networks, allowed us to understand what is happening in the problem-solving process of neural network. The human brain is MEGA processor, therefore, all the efforts of researchers should be focused on the development of MEGA processor systems of new generation. Noted that for the implement intelligent system similar to the human brain, it is necessary to ensure her connection with the outside world and the ability of self-study. Обсуждается чем может нам (человечеству) помочь искусственный интеллект. Рассмотрено важное объединение систем на основе нейронных сетей и экспертных систем на базе математической логики. Объединение сформированных (человеком) понятий системы нечеткой логики с искусственными нейронными сетями позволило понять, что происходит в процессе решения задачи нейронной сетью. Так как человеческий интеллект это мегапроцессорная система, то подчеркнуто, что основные усилия следует направить на создание мегапроцессорных систем новых поколений. Отмечено, что для реализации интеллектуальной системы, аналогичной мозгу человека, необходимо обеспечить ее связь с внешним миром и возможность самообучения. Обговорюється чім може нам (людству) допомогти штучний інтелект. Розглянуто важливе об'єднання систем на основі нейронних мереж і експертних систем на базі математичної логіки. Об'єднання сформованих (людиною) понять системи нечіткої логіки з штучними нейронними мережами дозволило зрозуміти, що відбувається в процесі рішення задачі нейронною мережею. Так як людський інтелект це мегапроцесорна система, то підкреслено, що основні зусилля слід спрямувати на створення мегапроцесорних систем нових поколінь. Відзначено, що для реалізації інтелектуальної системи, що аналогічна мозку людини, необхідно забезпечити її зв'язок із зовнішнім світом і можливість самонавчання

On the nature of the Mossbauer effect

The spectrum of electromagnetic waves emitted by an oscillator trapped in an external potential well is studied. It is assumed that the natural frequency of the oscillator is much greater than the frequency of oscillations in the potential well. We consider the quantum model of emission with regard to the recoil e ect. The highest intensity of the absorption and emission lines is observed on the natural frequency of the oscillator when the recoil energy is equal to the energy of the quantum of low-frequency (LF) oscillations in the potential well. A certain decrease in the amplitude of the emission and absorption lines is noted caused by the oscillations of the potential well due to, for example, the presence of the phonon spectrum. The relaxation times of the oscillator LF motion in the potential well, resulted from the phonon emission, are estimated. It is concluded that these processes have no in uence on the observed features of the emission and absorption of high-frequency photons. This model can be applied to description of the emission and absorption of gamma rays in the crystal structures even in the presence of the phonon spectrum on condition that the relaxation time of the LF movements in the potential well is greater than the lifetime of the HF oscillator

On new representations of well-known physical phenomena

New theoretical description of well-known physical phenomena are announced. 1. The description of wave interaction in plasma in terms of spontaneous and stimulated processes is discussed. Such a description is not only attractive from the methodological point of view, but also offers new possibilities for the understanding of physical processes related to the interaction of radiation with matter. Moreover, there exists an intimate relationship between spontaneous and stimulated processes that can simplify the calculation of nonlinear terms for systems with multi-wave interactions. 2. It is shown by the example of two-level system that generation of coherent radiation is realized in excess of the threshold, determined by the equality of the squared population inversion to the half of the total number of all possible states. 3. The spectrum of waves emitted by oscillator, trapped in an external potential well is analyzed. It is assumed that the eigenfrequency of the oscillator is much greater than the frequency of oscillations in the potential well. The effect of the recoil on the absorption and emission of the oscillator is discussed. Since the energy of the slow oscillations in well is equal to the recoil energy, the intensity of the absorption and emission lines at the eigenfrequency exceeds the intensity of other spectral lines. 4. The formation of gravity surface waves with abnormally high amplitude, that occurs only in initial stage of nonlinear regime of modulation instability in the ocean, is considered. 5. The intensive long-wave Langmuir oscillation in plasma has been generated by a high-current charged-particle beam and a maser radiation is unstable. It being known the field energy density often exceeds the thermal energy density of plasma. In this case the modulation instability of intensive oscillation results one plasma density cavity over a wavelength of the intensive oscillation. It is shown, that kinetic limitation mechanism of cavity deepening is the local capture of ions. It should be noted, the potential of cavity is quite low for capture of great part of electrons with considerable kinetic energy. Анонсовано нові описи відомих фізичних явищ. 1. Обговорюється опис хвилевих взаємодій в плазмі у термінах спонтанних та вимушених процесів. Такий опис привертає увагу не тільки з методологічної точки зору, а також відкриває нові можливості для розуміння фізичних процесів, що відносяться до взаємодії випромінювання з речовиною. Крім того існує значний зв'язок між спонтанними та вимушеними процесами, що дозволяє спростити обчислення нелінійних доданків в виразах для багатохвильових процесів. 2. На прикладі дворівневої системи показано, що виникнення когерентного випромінювання можливо при перевищенні порогу, що визначається рівністю квадрата інверсії половині повного числа станів системи. 3. Проаналізовано спектр хвиль, що генерує осцилятор, який захвачено в зовнішню потенційну яму. Власна частота осцилятора набагато більша частоти його коливань в потенційної ямі. Враховано ефект віддачі осцилятора при випромінюванні та поглинанні. В тому випадку, коли енергія віддачі дорівнює енергії повільних коливань осцилятора в потенційної ямі, інтенсивність ліній випромінювання та поглинання на його власної частоті значно перевищує інтенсивність інших ліній спектру. 4. Показано, що формування гравітаційних поверхневих хвиль аномально великої амплітуди в океані можна побачити тільки на начальної стадії нелінійного режиму модуляційної нестійкості хвиль в океані. 5. Інтенсивні довгохвилеві ленгмюрівські коливання, що генеруються пучками заряджених часток та мазерним випромінюванням, виявляються модуляційне нестійкими. Досить часто густина енергії поля значно перевищує густину теплої енергії плазми. В цьому випадку результатом модуляційної нестійкості є виникнення однієї каверни густини плазми на масштабі довжини інтенсивної хвилі. Показано, що кінетичним механізмом обмеження процесу поглиблення каверни є локальний захват іонів. Відмічається, що потенціал каверни замалий для захвату значної частини електронів, які мають значну кінетичну енергію. Анонсированы новые описания известных физических явлений. 1. Обсуждается описание волновых взаимодействий в плазме в терминах спонтанных и индуцированных процессов. Такое описание привлекательно не только с методологической точки зрения, но и открывает новые возможности для понимания физических процессов, относящихся к взаимодействию излучения с веществом. Кроме того, существует глубокая связь между спонтанными и индуцированными процессами, которая позволяет упростить вычисления нелинейных слагаемых в выражениях для многоволновых взаимодействий. 2. На примере двухуровневой системы показано, что возникновение когерентного излучения возможно при превышении порога, определяемого равенством квадрата инверсии населенностей половине полного числа состояний системы. 3. Изучен спектр волн, генерируемых осциллятором, захваченным во внешнюю потенциальную яму. Собственная частота осциллятора при этом много больше частоты его колебаний в потенциальной яме. Учитывается эффект отдачи осциллятора при излучении и поглощении. В том случае, если энергия отдачи равна энергии медленных колебаний осциллятора в потенциальной яме, интенсивность линий излучения и поглощения на его собственной частоте превышает интенсивности других спектральных линий. 4. Показано, что формирование гравитационных поверхностных волн аномально большой амплитуды, происходит только на начальной стадии нелинейного режима модуляционной неустойчивости океанского волнения. 5.Генерируемые пучками заряженных частиц или мазерным излучением интенсивные длинноволновые ленмюровские колебания плазмы оказываются модуляционно неустойчивы. Причем часто плотность энергии поля достигает и порой превосходит плотность тепловой энергии плазмы. В этом случае результатом модуляционной неустойчивости является возникновение каверны плотности плазмы на масштабах длины интенсивной волны. Показано, что кинетическим механизмом стабилизации дальнейшего углубления каверны плотности является локальный захват ионов. Отмечено, что потенциал каверны оказывается недостаточным для захвата большей части электронов, обладающих значительной кинетической энергией

On the nature of the Mossbauer effect

The spectrum of electromagnetic waves emitted by an oscillator trapped in an external potential well is studied. It is assumed that the natural frequency of the oscillator is much greater than the frequency of oscillations in the potential well. We consider the quantum model of emission with regard to the recoil e ect. The highest intensity of the absorption and emission lines is observed on the natural frequency of the oscillator when the recoil energy is equal to the energy of the quantum of low-frequency (LF) oscillations in the potential well. A certain decrease in the amplitude of the emission and absorption lines is noted caused by the oscillations of the potential well due to, for example, the presence of the phonon spectrum. The relaxation times of the oscillator LF motion in the potential well, resulted from the phonon emission, are estimated. It is concluded that these processes have no in uence on the observed features of the emission and absorption of high-frequency photons. This model can be applied to description of the emission and absorption of gamma rays in the crystal structures even in the presence of the phonon spectrum on condition that the relaxation time of the LF movements in the potential well is greater than the lifetime of the HF oscillator

Dissipative instabilities and superradiation regimes (classic models)

The generation of an electromagnetic field by oscillators in an open resonator is discussed in a one-dimensional approximation. In this case, the development of the so-called dissipative instability - the dissipative generation regime. Such an instability with the generation of electromagnetic oscillations arises when the decrement of oscillations in an open resonator in the absence of oscillators turns out to be greater than the increment of the resulting instability of the system of oscillators placed in this resonator. It is assumed that the oscillators do not interact with each other, and only the resonator field affects their behavior. If the resonator field is absent or small, the superradiance regime is possible, when the radiation of each oscillator is essential and the field in the system is the sum of all the eigenfields of the oscillators. In the dissipative regime of instability generation, the system of oscillators is synchronized by the induced resonator field. The synchronization of the oscillators in the superradiance mode owes its existence to the integral field of the entire system of oscillators. With a weak nonlinearity of the oscillators, a small initiating external field is required to excite the generation regime. It is noteworthy that the maximum value of the superradiance field is approximately two times less than the maximum field that the same particles could generate if they were at the same point. In all cases, for a given open resonator, the superradiance field turned out to be somewhat larger than the resonator field. Nevertheless, for the same resonator, the increments and attainable field amplitudes in both cases are of the same order of magnitude.Обговорюється в одновимірному наближенні генерація електромагнітного поля осциляторами, які знаходяться у відкритому резонаторі. У цьому випадку можливий розвиток так званої дисипативної нестійкості - дисипативного режиму генерації. Така нестійкість з генерацією електромагнітних коливань виникає в разі, коли декремент коливань у відкритому резонаторі у відсутності осциляторів виявляється більше інкременту виникаючої нестійкості системи осциляторів, вміщеній в цей резонатор. Передбачається, що осцилятори при цьому між собою не взаємодіють, і на їх поведінку впливає тільки резонаторне поле. Якщо ж резонаторне поле відсутнє або невелике, можливий режим надвипромінювання, коли істотне випромінювання кожного осцилятора і поле в системі є сумою всіх власних полів осциляторів. У дисипативному режимі генерації нестійкості систему осциляторів синхронізує індуковане резонаторне поле. Синхронізація осциляторів у режимі надвипромінювання зобов'язана своїм існуванням інтегральному полю всієї системи осциляторів. При слабкій нелінійності осциляторів для збудження режиму генерації необхідне невелике ініціалізуюче зовнішнє поле. Важливо, що максимальне значення поля надвипромінювання приблизно в два рази менше максимального поля, яке могли б генерувати ці ж частинки, якби вони знаходилися в одній точці. У всіх випадках для даного відкритого резонатора поле надвипромінювання виявилося трохи більшим, ніж резонаторне поле. Проте для одного і того ж резонатора інкременти і досяжні амплітуди поля в обох випадках одного порядку.Обсуждается в одномерном приближении генерация электромагнитного поля осцилляторами, которые находятся в открытом резонаторе. В этом случае возможно развитие так называемой диссипативной неустойчивости - диссипативного режима генерации. Такая неустойчивость с генерацией электромагнитных колебаний возникает в случае, когда декремент колебаний в открытом резонаторе в отсутствие осцилляторов оказывается больше инкремента возникающей неустойчивости системы осцилляторов, помещенной в этот резонатор. Предполагается, что осцилляторы при этом между собой не взаимодействуют, и на их поведение влияет только резонаторное поле. Если же резонаторное поле отсутствует или невелико, возможен режим сверхизлучения, когда существенно излучение каждого осциллятора и поле в системе представляет собой сумму всех собственных полей осцилляторов. В диссипативном режиме генерации неустойчивости систему осцилляторов синхронизует индуцированное резонаторное поле. Синхронизация осцилляторов в режиме сверхизлучения обязана своим существованием интегральному полю всей системы осцилляторов. При слабой нелинейности осцилляторов для возбуждения режима генерации необходимо небольшое инициирующее внешнее поле. Примечательно, что максимальное значение поля сверхизлучения примерно в два раза меньше максимального поля, которое могли бы генерировать эти же частицы, если бы они находились в одной точке. Во всех случаях для данного открытого резонатора поле сверхизлучения оказалось несколько большим, чем резонаторное поле. Тем не менее, для одного и того же резонатора инкременты и достижимые амплитуды поля в обоих случаях одного порядка