Простейшие самоорганизующиеся системы
Здесь будет описан самоорганизующийся объект, для физики новый и принципиально важный: искусственное упругое тело, состоящее из множества ма
кроскопических элементов, расположенных на ма
кроскопических расстояниях друг от друга и упруго связанных воедино электромагнитными полями. Объект важен по трем причинам. Во-первых, это простейший и первый пример системы, самоорганизующейся в пространстве и времени. 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 вопросы вековой давности: как и почему зависят размеры тела от его скорости, в каком смысле и почему они постоянны? В-третьих, это единственно возможная и не описанная в литературе физическая модель твердого тела, способная существовать в реальности.
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 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 невесомости, в жидкости или на ее поверхности), то образуется (самоорганизуется) некое упругое тело, в какой-то степени упорядоченное по своей структуре.
На рисунке рис.1 показана устойчивая группа из трех излучающих электрических диполей, которые равномерно и совместно вращаются вокруг общей оси (отрицательный заряд вокруг тяжелого положительно заряженного тела), и фрагменты электрических полей, излученных ранее соседними диполями. Чтобы не загромождать рисунок, показаны лишь участки электрического поля, параллельные плоскости рисунка, и лишь вблизи диполей. Диполи занимают в полях друг друга устойчивые положения, т.к. находятся в максимумах электрического поля, как в потенциальных ямах, вращаются вместе с полем, и их подвижные заряды всегда смещены вдоль поля к нижнему энергетическому уровню в нем. Будучи выведены из устойчивых положений, диполи вернутся в них или придут к новым устойчивым положениям.
Такую же способность к самоорганизации в пространстве имеют почти 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 признать, что в упругом теле элементы микромира выступают в качестве носителей электромагнитных колебаний и источников волн, и связаны между собой через посредство электромагнитных волновых полей.
Дополнительно
Кибернетика и синергетика – науки о самоорганизующихся системах
Фронт современной науки простирается от
сравнительно частных, конкретных концепций относительно различных областей
физического и химического мира, до глубочайших теорий, охватывающих различные
сферы природы, общества и технической деятельности человека. К последним
следует отнести кибернетику и ...
Становление детской журналистики и её влияние на психологию ребёнка
Русская пресса для юного читателя в
отличие от «взрослой» началась с журнала.
Детская журналистика в нашей стране
имеет богатую историю. До революции, в основном в Петербурге и Москве,
издавалось около трехсот детских и юношеских журналов. Одни из них выходили
десятилетиями, другие прекращали ...