噪声妙用

【英国《新科学家》周刊１月９日一期文章】题：噪声妙用
对于我们大多数人来说，噪声是你想入睡时从隔壁传来的吵闹声，是老唱片
放完时或是在巴西的丛林里收听短波广播时，从机器里传出的可怕的噼里啪啦声
。但是，在这些貌似杂乱无章、常常起着扰乱作用的接二连三的振动中，却隐藏
着一些非常有趣的东西。而如果没有噪声，冬天的湖面将不会结冰，化学反应将
不会发生。噪声使人体的肌肉在需要时产生收缩，并帮助人体细胞在细胞膜的内
外传递关键的物质。如果没有这种被叫做噪声的乱糟糟的东西，生命本身就不会
存在。
噪声的工作原理是什么？怎样能够利用噪声？在经过对噪声问题的多年研究
之后，我们已经找到了一些答案。物理学家目前对噪声利用的迷恋源自８０年代
的一项发现——在噪声系统的信号输入端增加噪声，输出端的信号和信噪比都会
得到增强，增加噪声竟能加强信号穿过系统的能力。如今，科学家已经在许多地
方——从小龙虾尾部的传感神经元到在细胞膜两侧传递信息的离子通道——发现
了这种被称为“随机共振”的现象。
１９９０年，当时在乌克兰基辅半导体研究所工作的物理学家马克·戴克曼
意识到，利用所谓的线性反应理论，可以把随机共振现象纳入传统的理论物理的
范畴。
不过，随机共振只是噪声的奇异效应之一，另一种效应发生于一种叫做棘轮
的装置中：把一些小颗粒放在一个棘轮状的基座上，使该基座完全随机地晃动，
这些颗粒会漂向同一个方向。
纽约洛克菲勒大学物理学家马塞洛·马尼亚斯科在１９９３年指出，利用噪
声的诀窍在于必须对其“染色”（这个概念最初是由爱因斯坦提出过）。噪声的
原型是“白色”噪声，即每一个小振动都与它们的前身毫不相干。白色噪声没有
记忆。然而，噪声被“染色”后，它所具有的记忆将发挥作用。
物理学家终于开始知道利用噪声的一些途径。假设你希望发生某件事情——
例如某种昂贵药物制造过程中一个关键的化学反应，随机的热噪声将会使反应以
某一特定的速度进行。但是你可以把事情做得更好。如果你希望加快反应速度并
使能量的利用效率达到最高，你可以设法采用精心设计的外力来刺激与某条最有
可能导致这一化学反应的路径相关的分子。通过仔细测量这一化学系统，你可以
直接计算出所需的外力。普林斯顿大学的化学家赫舍尔·拉比茨等人正在从事的
就是这项工作，他们利用激光刺激分子。
有关噪声的新认识还可能有助于控制尺寸大得多的东西。也许你是一位物理
学家，不希望激光器的功率超过某个限度，或者你也许正在指挥航天器或油轮，
希望它们不会因无法控制的随机外力而陷入困境。原则上你应该能计算出上述将
要出现的有害波动所围绕的特定路径。当不详之事真的开始出现时，你可以采用
一些小的矫正来排除险情。比起在任何时候都采用矫正力，或者在最后一刻使用
很大的矫正力，这种办法的效率要高得多，成本也小得多。