Кооперативные явления. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Кооперативные явления - явления в многочастичной системе, связанные с когерентным (согласованным) взаимодействием большого числа частиц (иначе говоря, с развитыми многочастичными корреляциями). Простейший пример К. я.- гидродинамич. движения (звук, теплопроводность и т. п.). Такие движения связаны с локальными изменениями термодинамич. характеристик (плотности, давления и т. д.), а также скорости и имеют достаточно большие пространств. и временные масштабы (необходимые для установления локального равновесия). К. я. происходят как в равновесных физ. системах, так и в системах разл. природы (физ., хим., биол. и т. п.), находящихся вдали от термодинамич. равновесия.

Равновесные кооперативные явления можно разделить на две группы: критические явления ,связанные с разл. фазовыми переходами, и когерентные явления, связанные с установившейся макроскопич. упорядоченностью. Примером первого типа К. я. служит аномалия теплоёмкости вблизи

-точки ⁴Не, примером второго типа - отсутствие вязкости (сверхтекучесть)⁴Не при темп-pax ниже

-точки. Сверхтекучесть, как и сверхпроводимость, представляет собой пример квантовых К. я., при к-рых квантовая когерентность проявляется в макроскопич. масштабах. К такого же рода явлениям относится и неустойчивость Пайерлса - Фрёлиха, наблюдаемая в ряде квазиодномерных металлич. и органич. соединений и приводящая к появлению пространств. модуляции электронной плотности (т. н. волны зарядовой плотности). Причиной неустойчивости Пайерлса - Фрёлиха является, как и в случае сверхпроводимости, электрон-фононное взаимодействие. Хорошо известные примеры К. я.- ферромагнетизм и антиферромагнетизм - явления, связанные с установлением дальнего магн. порядка того или иного типа. Когерентные явления в упо-рядоч. фазах вещества, как правило, можно описать в терминах слабо взаимодействующих квазичастиц (фононов и ротонов в сверхтекучем ⁴Не, спиновых волн в магнетиках и т. п.). Критич. явления при фазовых переходах 2-го рода не допускают такого описания, они связаны с интенсивным взаимодействием большого кол-ва флуктуирующих степеней свободы.

Неравновесные кооперативные явления имеют место в открытых системах, далёких от термодинамич. равновесия, их существование связано с диссипацией энергии. Нек-рые из них обусловлены возникновением в неравновесной системе макроскопич. пространств. когерентности (диссипативной структуры); они в значит. степени аналогичны равновесным К. я. при термодинамич. фазовых переходах. К ним относятся: когерентное излучение лазера (пример квантового неравновесного К. я.), неустойчивость Рэлея - Бенара, возникающая в нагреваемом снизу слое жидкости, образование пространственно неоднородных структур при нек-рых хим. реакциях, а также в процессе морфогенеза (см. также Неравновесные фазовые переходы). Успешное описание процессов в лазере вблизи порога генерации в терминах квантовая теории фазовых переходов 2-го рода положило начало построению единого подхода к неравновесным К. я., составляющего предмет нового научного направления - синергетики. Общая идея такого подхода состоит в следующем: при достаточно высокой степени неравновесности (мощности накачки в лазере, температурном градиенте в неустойчивости Рэлея - Бенара) тривиальное (бесструктурное) состояние системы становится неустойчивым по отношению к малым флуктуациям; анализ динамич. ур-ний в линейном приближении позволяет определить те моды (степени свободы), к-рые первыми теряют устойчивость; вблизи порога неустойчивости эти (критич.) моды релаксируют наиб. медленно, что даёт возможность исключить из динамич. ур-ний остальные (некритич.) моды и получить эфф. нелинейные ур-ния для амплитуд критич. мод (параметров порядка). В тех случаях, когда критич. моды обладают лишь пространственной (но не временной) структурой (как во всех приведённых примерах), ур-ния для параметров порядка аналогичны ур-ниям квантовойя теории. Это позволяет определить функционалы распределения вероятностей разл. состояний системы, формально сходные с распределением Гиббса.

Ряд важных неравновесных К. я. связан с появлением временных (или пространственно-временных) структур, напр.: осцилляции тока в диоде Ганна, осцилляции плотностей хим. компонентов в реакции Белоусова - Жаботинского и численностей разл. видов животных в экологич. системах, распространение электрич. волн в нервных клетках и т. п. Динамич. ур-ния для параметров порядка таких систем (активных сред) не допускают построения распределений вероятности, сходных с распределением Гиббса. Общего статистич. подхода к описанию активных сред в настоящее время не существует. Один из наиболее интересных типов волновых К. я. в активных средах - автоволны.

Особый тип К. я., к-рые нельзя отнести ни к критическим (в обычном смысле), ни к когерентным, представляют явления, связанные с процессами замерзания в стёклах (структурных, спиновых, электрич. и т. п.). Замерзание стёкол, в отличие от обычных фазовых переходов, не приводит к изменению симметрии системы, однако качественно изменяет макроскопич. свойства системы (в частности, структурные стёкла, как ц кристаллы, обладают конечным модулем сдвига, что отличает их от жидкостей). Структурные стёкла образуются при быстром охлаждении чистых веществ (напр., SiO₂) или сплавов. Состояние стекла является метастабильным. за очень большое время (порядка сотен лет для SiO₂) стекло кристаллизуется. В этом смысле структурные стёкла не являются равновесными системами, однако они также принципиально отличаются от неравновесных диссипативных структур, существующих за счёт притока энергии извне. Естественно называть происходящие в них процессы кваз и равновесными кооперативными явлениями. Кооперативный характер процесса замерзания структурных стёкол проявляется, в частности, в температурной зависимости вязкости h охлаждаемой жидкости при темп-pax Т выше точки замерзания Т₀, к-рая описывается эмпирич. законом Вугеля - Фулчера:

. Существование конечной температуры замерзания Т₀ указывает на кооперативный характер релаксации в стёклах, в отличие от обычных активац. процессов, подчиняющихся закону Аррениуса:

Спиновые стёкла представляют собой неупорядоч. твёрдые растворы магн. атомов в немагнитных со случайным (зависящим от конкретной реализации раствора) знакоперем. взаимодействием между магн. моментами. Образование к--л. регулярной структуры в такой системе невозможно. Тем не менее при понижении температуры Т из-за взаимодействия между спинами процессы спиновой релаксации замедляются, причём для макс. времени релаксации хорошо выполняется закон Вугеля - Фулчера, и при Т<Т₀, возникают ненулевые ср. магн. моменты на отд. атомах (средний по системе момент при этом отсутствует). Наиб. характерной чертой состояния спинового стекла является существование в нём очень широкого спектра времён релаксации. Огромные времена релаксации в стёклах соответствуют одноврем. изменениям конфигурации очень большого числа спинов, порядка их полного числа. В этом смысле явления, происходящие в спиновых стёклах, можно назвать суперкооперативными. Электрич. аналогами спиновых стёкол являются неупорядоч. твёрдые растворы, содержащие полярные группы атомов. Электрич. дипольное взаимодействие между полярными группами, будучи знакопеременным, приводит при достаточно низких темп-pax к образованию замерзшей хаотической конфигурации дипольных моментов. Основные свойства спиновых стёкол обнаруживаются и у электрических стёкол.

Знаете ли Вы, что cогласно релятивистской мифологии "гравитационное линзирование - это физическое явление, связанное с отклонением лучей света в поле тяжести. Гравитационные линзы обясняют образование кратных изображений одного и того же астрономического объекта (квазаров, галактик), когда на луч зрения от источника к наблюдателю попадает другая галактика или скопление галактик (собственно линза). В некоторых изображениях происходит усиление яркости оригинального источника." (Релятивисты приводят примеры искажения изображений галактик в качестве подтверждения ОТО - воздействия гравитации на свет)
При этом они забывают, что поле действия эффекта ОТО - это малые углы вблизи поверхности звезд, где на самом деле этот эффект не наблюдается (затменные двойные). Разница в шкалах явлений реального искажения изображений галактик и мифического отклонения вблизи звезд - 10¹¹ раз. Приведу аналогию. Можно говорить о воздействии поверхностного натяжения на форму капель, но нельзя серьезно говорить о силе поверхностного натяжения, как о причине океанских приливов.
Эфирная физика находит ответ на наблюдаемое явление искажения изображений галактик. Это результат нагрева эфира вблизи галактик, изменения его плотности и, следовательно, изменения скорости света на галактических расстояниях вследствие преломления света в эфире различной плотности. Подтверждением термической природы искажения изображений галактик является прямая связь этого искажения с радиоизлучением пространства, то есть эфира в этом месте, смещение спектра CMB (космическое микроволновое излучение) в данном направлении в высокочастотную область. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.