|
Простейшие самоорганизующиеся системыЗдесь будет описан объект технический, но новый и принципиально важный для физики: искусственное упругое тело, состоящее из множества точечных элементов, расположенных на макроскопических расстояниях друг от друга и связанных воедино хорошо известными полями. Объект принципиально важен по двум причинам. Во-первых, это простейший и первый пример пространственно-временной самоорганизации. Во-вторых, этому телу свойственны определенные размеры, оно может двигаться и претерпевать ускорения, как и тела естественные. Но здесь поля и силы, соединяющие элементы в единое тело, не скрыты в микромире, и мы впервые получаем возможность объективно рассмотреть вопрос вековой давности: зависят ли размеры тела от его скорости? Мы выяснили, что волновые электромагнитные поля принципиально могут существовать в условиях микромира, не излучаясь в пространство и не теряя энергию. Элементы микромира, находясь в этих полях, подвержены электромагнитным силам. А эти силы способны удерживать элементы на определенных расстояниях друг от друга, связывая их в одну самоорганизующуюся систему - в одно тело, в один атом, в одну молекулу. Имеет смысл рассмотреть примеры подобных систем. Пусть в волновое высокочастотное электромагнитное поле излучения, зависящее от координат и времени как sin(t-x) (коэффициенты будем упускать), помещен в плоскость Х и параллельно векторам электрического поля электрический осциллятор - короткий проводник с переменным электрическим током, зависящим от времени как sin(t) (той же частоты). На проводник будет действовать сила, пропорциональная произведению sin(t-x) на sin(t), что равно cos(x)/2 + cos(2t-x)/2. Второе слагаемое - быстропеременная сила, в среднем за период равная нулю и никуда проводник не движущая. Первое же слагаемое - постоянно действующая сила, движущая проводник вдоль оси Х, пока cos(x) не станет равным нулю. Она всегда стремится вернуть проводник в одну из тех точек, где cos(x)=0, двигая его в ту или другую сторону. На другом языке: осциллятор имеет дискретный ряд устойчивых положений в синхронном с ним волновом поле. Аналогично, если через катушки нескольких электромагнитов пропускать синфазные токи сверхвысокой частоты, то магниты не только станут излучать волновое поле СВЧ, но и проявят некоторое непривычное для нас следующее свойство. Электромагниты, если находятся под действием только электромагнитных сил и начально расположены так, чтобы отталкивались друг от друга, разойдутся лишь на некоторые расстояния и будут удерживаться на этих расстояниях электромагнитными силами, как пружинами. Поскольку здесь магнитное поле - волновое, электромагниты, отталкиваясь и далее, попали бы в поле сил противоположного направления, и силы отталкивания изменились бы на силы притяжения. Поэтому они остановятся в некоторых устойчивых положениях - там, где эти силы меняют направление и равны нулю, - на некоторых устойчивых расстояниях друг от друга. При отклонении магнитов от устойчивых положений они попадут в область действия сил, возвращающих их обратно в устойчивые положения (что и позволяет применять здесь термин "устойчивые"). Если электромагниты находятся под действием только этих сил (например, свободно плавают в жидкости или на ее поверхности), то образуется (самоорганизуется) некое упругое тело, в какой-то степени упорядоченное по своей внутренней структуре. Такую же способность к самоорганизации в пространстве имеют любые синхронные между собой источники волновых полей. Упругие связи через посредство электромагнитных волн не могут не возникать и между элементами микромира. Поля в нем достаточно сильны. Классические теории не знают других полей и сил, способных удерживать элементы на устойчивых расстояниях. Поэтому нам придется еще раз признать, что в упругом теле элементы микромира выступают в качестве носителей электромагнитных колебаний и волн и связаны между собой через посредство электромагнитных волновых полей. Теперь мы знаем пример макроскопической системы, самоорганизующейся по структуре в пространстве, - группу из нескольких высокочастотных магнитов, быстро вращающихся диполей или каких-либо иных излучающих волновое поле осцилляторов, свободно плавающих в невесомости или в жидкости. Самоорганизация будет более полной, а системы - ближе к естественным, если колебания в элементах будут автономны и тоже подвержены самоорганизации, самосогласованию их по частоте и текущим фазам. Сделать такую систему для примера можно (даже в виде изделий, если очень понадобится) средствами радиотехники. Рассмотрим систему, состоящую снова из множества одинаковых катушек, обтекаемых токами СВЧ, но пусть теперь каждая катушка будет частью автономного генератора электрических колебаний СВЧ, каждый из которых состоит из колебательного контура (конденсатора и этой катушки), усилителя, источника тока и цепи положительной обратной связи. Такие генераторы давно применяются, свойства их хорошо известны, что упрощает задачу. Пусть катушки снова служат излучателями и электромагнитами, а прочие части генераторов полей не излучают. Колебательный контур, включенный в схему генератора, - это простейший резонатор, локальная колебательная система, содержащая незатухающий колебательный процесс. Одинаковые генераторы, будучи разрозненными, вырабатывают колебания немного неравных частот и в произвольных фазах. Находясь на некоторых умеренных расстояниях друг от друга, они взаимосвязаны через свои излучения, влияют друг на друга. Каждая катушка излучает энергию в виде электромагнитных волн и принимает энергию излучений других катушек, преобразуя ее в энергию электрических колебаний. Так колебательный процесс от каждого генератора распространяется на все другие генераторы, влияя на них. При этом генераторы, если располагаются более-менее определенным образом на некоторых расстояниях друг от друга, способны входить в синхронизм. Их колебания становятся синхронными, излучения - когерентными, а процессы колебаний и излучений сливаются в единый объемный процесс, действующий на единой частоте в едином ритме. Другими словами: происходит самоорганизация локальных колебательных процессов во времени - по частотам и фазам колебаний, сливающая волновые и колебательные процессы в единый объемный когерентный процесс. Когда колебания в элементах системы синхронны, то сохраняется их способность и к самоорганизации в пространстве. Элементы системы, двигаясь в волновом поле и поворачиваясь, займут в нем устойчивые положения и примут устойчивую ориентацию, образуя устойчивую пространственную структуру, в какой-то степени упорядоченную. Так мы получим систему с самоорганизацией и во времени, и в пространстве. Теперь система не связана проводами, может автономно существовать, двигаться, претерпевать ускорения. Проще рассматривать системы, расстояния в которых достаточно велики. Тогда элементы связаны только полями излучений, но не ближними полями. Чтобы элементы пришли при этом в устойчивые положения, не разрушив синхронизм колебаний, нужно еще придать им свойство взаимного притяжения (например, придать им постоянные дипольные моменты). Генераторы остаются синхронными только на таких расстояниях, при которых происходит прием ими волновой энергии друг от друга, а это создаёт давление волн на них и силы взаимного отталкивания. Взаимное притяжение, уравновешивая давление волн, автоматически ставит элементы на расстояния, нужные для синхронизма. Будем считать, что размеры генераторов всегда достаточно малы в сравнении с длиной излучаемых ими волн (точечные), что массы их малы, расстояния между ними - от единиц до десятков длин волн, а число генераторов в системе достаточно велико. Конечно, мы еще не можем создать настолько малые и мощные источники излучений, чтобы образуемые ими системы были прочными, а процессы их самоорганизации в пространстве – не слишком уж медленными. Но принципиального значения это не имеет. Самоорганизация, о которой было сказано ранее, достигается здесь взаимной самопроизвольной подстройкой (синхронизацией) колебаний в элементах системы. Амплитуды колебаний здесь мало подвижны, но подвижны их фазы, и фазы меняются так, чтобы отток энергии из системы был близок к минимальному. Эта система проста: действует лишь на одной частоте, локальные колебания в ней имеют лишь по одной степени свободы, зато достаточно прозрачна, и та же ее тенденция видна в ней с других сторон. Рассмотрим один конкретный пример синхронизации. Пусть два таких источника излучений установлены параллельно друг другу в очень длинную сверхпроводящую трубу с открытыми концами, и расстояние между ними равно n+1/2 длины волн, излучаемых ими в трубу. Когда излучения источников синфазны и равны, то приходят к концам трубы с разностью хода в одну полуволну, то есть в противофазе, и в сумме равными нулю. Значит, энергия таких колебаний не вылетает из трубы, а остается в системе. Она циркулирует от одного излучателя к другому, и каждый из них, излучая, принимает энергию излучений от другого. Это неизлучающая пара излучающих процессов. Если бы и здесь, как в микромире, не было потерь энергии, то энергия синфазных колебаний сохранялась бы бесконечно долго, усилители и приток энергии стали бы ненужными, и было бы достаточно пассивных колебательных контуров или других резонаторов. Резонаторы, возбужденные произвольным образом, бесконечно сохраняли бы лишь синфазные колебания, излучив энергию прочих. В реальном же случае синфазные колебания легче поддерживать, от генераторов требуется наименьшая мощность, от усилителей – наименьший коэффициент усиления. Эти колебания и вырабатываются. Без трубы, в свободном пространстве излучения уходят во все стороны, в большой системе все несколько сложнее, но, в принципе, происходит так же. Форма излучаемого системой поля и количество излучаемой энергии зависят от комбинации амплитуд и фаз колебаний в элементах системы. Любая из таких комбинаций может быть представлена в виде суммы или наложения всех возможных в системе форм колебаний, которые конкурируют между собой, вводя усилители в нелинейный режим и снижая усиление до такой степени, когда возможны лишь минимально излучающие формы. Они и развиваются, подавляя усиление, а таким образом - и прочие колебания. Простейшие резонаторы - колебательные контуры из катушек и конденсаторов - можно заменить здесь любыми другими излучающими резонаторами. В систему из генераторов можно включать пассивные резонаторы (без усилителей). Основные свойства системы от этого не изменятся. Но колебания должны вырабатываться в процессе автогенерации, самовоспроизводства и это здесь необходимо принципиально. Энергия, питающая систему, может поступать в нее не только через усилители, но и непосредственно - в виде энергии механической или электромагнитной, и, если нет внутренних потерь энергии, сохраняться в ней. Особенность системы в том, что каждый ее элемент находится в устойчивом положении, поэтому любое внешнее воздействие на систему, будь оно механическим или электромагнитным, выводит элементы из устойчивых положений, действуя против сил, создающих устойчивые положения, и потому передает свою энергию полю, образующему эти силы. При этом пополняется энергия именно тех колебаний и полей, которые создают целостность системы. Это тоже процесс автогенерации колебаний, при котором сохраняется та же тенденция к удержанию энергии в системе. Какими бы хаотичными ни были внешние силы, их энергия преобразуется в упорядоченную форму, становится частью внутренней энергии системы и сохраняется в ней. Это можно назвать самоорганизацией энергии. С другой стороны - это обычное для электромеханических устройств и систем преобразование энергии из одной формы в другую. В самоорганизующихся системах, служащих моделями систем микромира, таким путем преобразуется энергия тепловых движений, пополняя до устойчивых уровней внутреннюю энергию, необходимую для их существования. Можно теперь представлять себе систему, состоящую только из резонаторов. Такие системы при отсутствии в них внутренних потерь энергии и достаточно малом излучении способны существовать в энергетическом равновесии с окружающей средой, на фоне излучений других таких же систем, когда приток энергии из среды компенсирует энергию излучений из системы. Читая историю физики, мы узнаём, что классическая школа потерпела крах не только в области микромира. Она оказалась не способной объяснить результат эксперимента, выполненного Майкельсоном в 1881г. Он вызвал споры по поводу постоянства размеров тел. До 1911 года физики полагали, что размеры тел определяются размерами атомов (по модели Томсона – “пудинг с изюмом”), которые, образуя тела, вплотную примыкают друг к другу. Постоянство размеров атомов, а потому – и тел, казалось тогда несомненным, что и привело к победе теории относительности над классическими представлениями. Но в 1911 году Резерфорд экспериментально доказал, что размеры тел определяются расстояниями между атомными ядрами, относительно далеко отстоящими друг от друга. Следовательно, они зависят от свойств межатомных полей и сил, скрытых в микромире и неизвестных. Как стало ясно несколько позже, размеры естественных тел образуются как результат самоорганизации, с которой физика и поныне почти не знакома. С 1911 года о постоянстве размеров судят интуитивно, а спор приобретает беспредметный характер - обе стороны не имеют знаний о предмете спора. Представители классической школы, согласно своей интуиции, заявили, что размеры тел зависят от скорости, поскольку это логично. Их оппоненты, тоже не имея аргументов, назвали это смешным, нелепым, попыткой спасти теорию. Так произвольно, не аргументами, а эмоциями, решался самый важный во всей истории физики вопрос - о смене научной парадигмы, о дееспособности классической физики, “обычных” логики и здравого смысла. Страсть к революции оказалась сильнее здравого смысла, логики и ценности физики века великих открытий, вместе взятых. Для объективного решения нужен был, как минимум, сам объект - предмет, размеры которого созданы хорошо известными, не скрытыми в микромире полями и силами, и желательно – как результат самоорганизации. Но физика не обратилась ни к такой постановке вопроса, ни к поискам такого предмета. Здесь впервые такой предмет рассмотрен, и впервые за сто лет мы получили возможность объективно изучать свойства размеров самоорганизующихся тел, движущихся различным образом в различных условиях – в средах и вне сред. Естественно, объект, построенный средствами классической теории, имеет свойства, не противоречащие этой теории. Размеры его не постоянны. Однако, зависимость размеров тел (и процессов в телах) от скорости меняет классический принцип относительности. Это мы рассмотрим в разделах 5 и 6. Но и частная теория относительности Эйнштейна, будучи оппонентом классической, выражает ту же истину (оцените: еще с 1905 года!), хоть и косвенно: избрав гибкую самоорганизующуюся систему в качестве меры пространства-времени, Эйнштейн открыл фактически свойства меры -самоорганизующихся систем, но наделил этими свойствами измеряемый объект. Теория настолько опередила своё время, что остаётся непонятой в этом до сих пор. Ложны лишь ее критические положения, направленные против классической физики. Но они не являются неотъемлемой частью теории, а лишь добавлены к ней ради победы над нашими профессиональными представлениями и нашей логикой. Теперь мы их возвращаем.
|
