Толковый словарь терминов по теме лаборатории-кафедры
Аномальные флуктуации - флуктуации, отличающиеся по амплитудному и частотному распределению от рассчитанных на основе математической статистики и теории вероятности.
А.ф. происходят во многих физических, химических и биологических процессах, причем нередко прослеживается отчетливая связь происходящих изменений с процессами в Космосе. А.ф. включает в себя два типа феноменов:
1) аномально большие флуктуации параметров, характеризующих ход процессов в сложных системах самой разной природы: физико-химических, биологических, социальных. Для процессов в таких системах характерна закономерность “чем реже события, тем они сильнее” (спектр типа 1/f). При определенных условиях эти системы обладают высокой чувствительностью к внешним воздействиям, но их отклик на внешние воздействия неоднозначен. К этому типу феноменов относятся обнаруженные С.Э.Шнолем с соавторами макрофлуктуации, (фликкер-шум, 1/f-шум)
2) дискретность результатов измерений и сходство распределений результатов, получаемых при исследовании процессов различной природы, схожесть и синхронность изменений параметров, характеризующих ход процессов в пространственно разделенных объектах.
Различие двух типов феноменов состоит в том, что первый является локальным, возникающим в результате процессов внутри систем (хотя и реагирующим на внешние воздействия). Второй же является проявлением глубинных свойств Мира, в котором мы живем (возможно, изменений хода времени). Сочетаясь в различных пропорциях, два этих феномена дают наблюдаемое богатое разнообразие явлений, обобщенно называемых аномальными флуктуациями. Наиболее отчетливо первый феномен проявляется в инфранизкочастотном шуме полупроводников, а второй – в измерениях a радиоактивности.
Белый шум - флуктуации, возникающие в системах с большим числом простых однородных элементов. Б.ш. характеризуется распределением амплитуд по нормальному закону, а также постоянством спектральной плотности мощности. Свойства белого шума определяются статистикой независимых одиночных событий (например, ударов капель дождя или прохождений носителей заряда через p-n переход).
Взаимодействие - воздействие тел или частиц друг на друга, приводящее к изменению их движения. Способов взаимодействия огромное разнообразие, однако, по современным данным, в природе лишь четыре типа фундаментальных взаимодействий: слабое, сильное, электромагнитное и гравитационное. Возможно, к числу фундаментальных взаимодействий также относится торсионное взаимодействие. Два первых взаимодействия - короткодействующие и проявляются только в микромире при взаимодействии элементарных частиц на расстояниях менее 10-12 см. В макромире, т.е. в мире объектов, с которыми непосредственно сталкивается человек, а также в мегамире - мире космических объектов проявляются дальнодействующие взаимодействия - электромагнитное и гравитационное.
Гравилинзирование - см. Гравитационная фокусировка
Гравитационное взаимодействие - фундаментальное дальнодействующее взаимодействие. В отличие от электромагнитного взаимодействия, при Г.в. возможно только притяжение, зависящее от массы частиц и расстояния между ними. Г.в. - наиболее универсальное: ему подвержены все частицы, поля, волны. В то же время, на уровне микромира оно самое слабое и во взаимодействиях элементарных частиц практически не проявляется. Г.в. становится заметным на макроуровне, а на мегауровне - там, где скапливаются большие массы, - оно становится преобладающим. Движение небесных тел, а также элементарных частиц, движущихся в космических гравитационных полях со скоростями порядка 1000 км/с и менее, практически полностью определяется Г.в.
Гравитационная фокусировка (гравилинзирование, микролинзирование) - свойство гравитирующего объекта отклонять проходящий мимо него поток частиц или излучения, концентрируя его в некоторой области пространства.
Космическими аппаратами обнаружено связанное с Г.ф. уплотнение межзвездного газа, движущегося относительно Солнца. Гравилинзирование света используется при астрономических наблюдениях для обнаружения объектов на периферии Галактики и для исследования удаленных галактик и квазаров.
Г.ф. света - тонкий эффект, наблюдение которого стало возможным лишь при использовании наиболее совершенных телескопов. Для скрытой материи, вследствие относительно невысокой ее скорости, Г.ф. является одним из основных факторов, влияющих на ее распределение и движение. В результате прохождения мимо звезд плотность потока галактической скрытой материи в области небесной сферы размером 1 угловая секунда возрастает на 10 порядков; еще большее возрастание происходит после прохождения мимо нейтронных звезд и черных дыр. Вследствие относительной близости к Земле Солнце усиливает поток галактической скрытой материи значительно слабее (на 3-4 порядка), но зато усиленный поток приходит из области радиусом до 10 угловых градусов. Кроме того, в этой околосолнечной области происходит дополнительное, вторичное усиление потока скрытой материи, уже усиленного звездами и другими удаленными объектами, что воспринимается земным наблюдателем как вспышка продолжительностью от нескольких часов до суток.
Интересно, что самыми "яркими", наиболее эффективно фокусирующими потоки скрытой материи объектами являются самые трудно наблюдаемые оптическими методами: нейтронные звезды, белые карлики, черные дыры. Самая яркая планета Венера является очень плохим усилителем, но зато далекая планета Нептун по "яркости" превосходит Солнце.
Если бы мы обладали глазами, воспринимающими вместо света потоки скрытой материи, мы бы увидели странную картину: довольно бледное огромное Солнце с дырой в средней части, примерно такой же по яркости Юпитер, почти незаметную Луну, Нептун, более яркий, чем Солнце. Звезды видны как яркие точки и штрихи, причем их положение отличается от оптического. Кроме того, в околосолнечной области время от времени разгораются и гаснут яркие точки.
Благодаря весьма значительному усилению в результате Г.ф. потоки скрытой материи (потоки нейтрино) становятся доступными для приборной регистрации.
Макрофлуктуации - термин, предложенный С.Э.Шнолем для обозначения аномальных флуктуаций в физико-химических и биологических системах.
Нейтрино – элементарные частицы, не имеющие электрического заряда и не вступающие в сильное ядерное взаимодействие. Реагировать с другими частицами нейтрино могут за счет слабого ядерного взаимодействия. Это взаимодействие не случайно получило название "слабое": поток нейтрино, возникающих при бета распадах, без ослабления проходит слой вещества толщиной, сопоставимой с межзвездными расстояниями.
Возможно, что нейтрино способно очень слабо взаимодействовать с электромагнитным полем, так как теоретики допускают наличие у этих частиц магнитного момента, хотя и очень малого. Нейтрино - идеальные объекты для проявления торсионного взаимодействия в наиболее "чистом" виде, поскольку собственное вращение (спин) - единственный параметр, по которому эти частицы не "уступают" другим. Но свойства торсионного взаимодействия пока известны недостаточно хорошо для того, чтобы можно было сделать количественные оценки.
В настоящее время известно о существовании шести типов нейтрино (электронное, мюонное, тау-нейтрино, а также их античастицы). Из трех основных параметров, характеризующих элементарные частицы, у нейтрино достоверно известны два: спин, равный спину электрона и электрический заряд, равный нулю. О массе нейтрино достоверных экспериментальных или теоретических данных нет.
Долгое время считалось, что нейтрино, подобно фотонам, не имеют массы покоя. Эксперименты, проведенные в 70 - 80 годах, показали, что электронные нейтрино имеют массу примерно в 20.000 раз меньше массы электрона (20-30 эВ). Дальнейшие эксперименты не подтвердили эти результаты, и в настоящее время считается, что масса электронного нейтрино не превышает 10 эВ, а возможно и много меньше 1 эВ. Мюонные и тау-нейтрино, возможно, значительно более массивны, чем электронные, но измерение их массы - задача пока нерешенная.
Нейтрино - столь же широко распространенные во Вселенной частицы, как и фотоны. Они возникают при распадах атомных ядер и элементарных частиц, очень много их возникает в недрах звезд (в том числе, в Солнце). Это - нейтрино высоких энергий, движущиеся с околосветовыми скоростями. Еще больше в Природе нейтрино очень низких энергий, имеющих скорости порядка 1000 км/с и меньше. Они возникли на начальных этапах формирования Вселенной (отсюда их название - реликтовые нейтрино) и в настоящее время входят в состав галактик и других космических объектов, внося свой вклад в скрытую массу. Величина скрытой массы намного больше суммарной массы звезд и других объектов из "обычного" вещества, состоящего из протонов, нейтронов и электронов.
До недавнего времени для любого физика, знакомого со свойствами нейтрино, идея о том, что эти частицы могут играть какую-то роль в нашей жизни, казалась абсурдной. Ведь на гигантской установке, предназначенной для регистрации потока нейтрино от Солнца, регистрировалось всего несколько частиц в год! Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные в последние 10 - 15 лет, показали, что роль нейтрино может быть существенно более значительной, чем это предполагалось раньше. Но не тех нейтрино, которые возникают при ядерных реакциях и распадах, а нейтрино ультранизких энергий, имеющих энергию в миллиарды раз меньшую. Это - уже упомянутые "реликтовые" нейтрино, входящие в состав скрытой массы Вселенной.
Нейтрино ультранизких энергий - самое распространенное вещество Вселенной. Их концентрация, в среднем по Галактике, составляет 107 - 108 частиц/см3. Еще больше их может собираться в гравитационных полях небесных тел. В то же время, выяснилось, что в противоположность ранее существовавшим представлениям, нейтрино ультранизких энергий взаимодействуют с веществом несравненно более эффективно, чем нейтрино "ядерных" энергий. Это связано с тем, что, в соответствии с принципами квантовой механики, взаимодействием охватывается область размером порядка длины волны де-Бройля, которая, ввиду малости импульса нейтрино ультранизких энергий, достигает нескольких миллиметров. При движении такой частицы в веществе взаимодействием охватывается огромное число атомов, и итоговый эффект становится большим даже при малости "индивидуальных" взаимодействий. Заметим, что длина волны де-Бройля "ядерных" нейтрино намного меньше размеров атомов, поэтому они могут взаимодействовать лишь с одним электроном или ядром.
Взаимодействие нейтрино ультранизких энергий с веществом подобно взаимодействию света или радиоволн со средой, обладающей очень высокой прозрачностью. В однородной прозрачной среде распространение излучения происходит прямолинейно и без обмена энергией. Но на неоднородностях, на границах сред с различными физическими свойствами происходит преломление и отражение, т.е. изменение направления распространения. При этом энергия частиц (квантов) тоже не меняется. Изменение направления движения означает изменение импульса, с которым связано действие силы на фрагмент вещества, где произошло это изменение. Таким образом, нейтрино (так же как и свет в прозрачной среде), взаимодействует с веществом своеобразно: поток излучения оказывает механическое давление при отсутствии энергообмена.
Значительное энерговыделение возможно лишь при взаимодействии нейтрино ультранизких энергий с бета радиоактивными ядрами, а также в результате процессов в самих этих потоках: аннигиляции частиц и античастиц и, возможно, распадов нестабильных частиц (есть гипотеза о нестабильности нейтрино с периодом полураспада порядка миллиарда лет). При этом возникают фотоны с энергией, соответствующей массе покоя проаннигилировавших (распавшихся) частиц. Эти фотоны интенсивно взаимодействуют с веществом, действуя подобно ионизирующей радиации.
Теоретики предсказали "нейтринные осцилляции" - периодическую смену типов нейтрино. При энергиях, характерных для реликтовых нейтрино, превращение электронного нейтрино в мюонное, мюонного в тауонное должно происходить настолько часто, что во взаимодействиях они должны проявлять свойства всех трех типов нейтрино одновременно. Поэтому, например, эффективная масса реликтовых нейтрино может быть значительно больше массы электронного нейтрино, измеряемой при высоких энергиях.
Энергия фотонов гамма-излучения и радиоволн отличается на 10 порядков. Мы знаем, как сильно различаются свойства этих двух разновидностей электромагнитного излучения. Столь же велико различие по энергии "ядерных" нейтрино и нейтрино ультранизких энергий, и столь же велико различие их свойств. Взаимодействие нейтрино с веществом при ультранизких энергиях принимает формы, при которых эти слабовзаимодействующие частицы становятся фактором, роль которых в окружающем нас мире нельзя игнорировать.
Реликтовые нейтрино являются носителями космоземных связей наряду с электромагнитным излучением и космическими лучами.
Причинная механика (несимметричная механика) – область физики, изучающая природу фундаментальной асимметрии времени и связанные с ней явления. Ее основы были заложены Н.А.Козыревым. Основной постулат - признание необратимости фундаментальным свойством самого времени, а не частных систем. Иначе говоря, исходной аксиомой является наличие у времени свойства, позволяющего принципиально отличать причины от следствий. Признание такого свойства (названного направленностью или ходом времени) влечет очень важные новые эффекты, которые могут изучаться экспериментально и которые, возможно, играют принципиальную роль в естественных крупномасштабных процессах (например, в происхождении энергии звезд). К таким эффектам относятся, в частности появление новых дополнительных сил в гироскопических системах (вдоль оси вращения, отсутствующих в классике), принципиально новый механизм дистанционного взаимодействия необратимых процессов, наконец, появление энергии у самого времени и, в этом смысле, его определенная материализация. Подробно о причинной механике см. страницу лаборатории - кафедры причинной механики (руководитель С.М.Коротаев).
Следует отметить, что безупречных экспериментальных подтверждений причинной механики пока не получено. Некоторые из результатов, полученных Н.А.Козыревым (например, наблюдение звезд в "истинном" положении или движение коромысла крутильных весов) частично подтверждены, но могут быть объяснены альтернативно.
Процесс - последовательное изменение состояний некоторой системы, ход развития, изменение, движение системы во времени.
Ритм - чередование каких-либо событий или конфигураций, происходящее с определенной последовательностью. Ритм может быть внутренним свойством системы (например, ритм изменения взаимного положения планет Солнечной системы) или результатом ритмического внешнего воздействия (например, приливный ритм, воспроизводящий изменения гравитационного поля при изменении взаимного положения Земли, Луны и Солнца).
Исследование ритмов позволяет определять источник внешнего воздействия. Например, исследование отклонений от расчетного ритма движения планеты Уран позволило определить параметры орбиты и массу неизвестной планеты, получившей название Нептун. Сопоставление ритмики эпидемий и социальных катаклизмов с ритмом солнечной активности позволило А.Л.Чижевскому сделать вывод о влиянии процессов на Солнце на процессы в биосфере и социуме.
Работы, начатые Дж. Пиккарди и С.Э. Шнолем, показали, что в ходе процессов во многих физико-химических и биологических системах заметны ритмы, совпадающие с космическими (ритмы солнечной активности, смены полярности межпланетного магнитного поля, лунных суток и месяца), что указывает на чувствительность этих систем к неким агентам, доносящим изменения в Космосе до земных объектов.
Для исследования ритмов, обладающих высокой степенью повторяемости, можно использовать фурье-анализ, позволяющий определить период и амплитуду основного колебания, и амплитуду гармоник. Но этот метод малоэффективен при исследовании систем с макрофлуктуациями (фликкер-шумом), чувствительность которых зависит от предыстории, а отклик на одинаковые воздействия может быть различным по амплитуде и длительности. Реакция таких систем на внешние ритмические воздействия обычно выглядит хаосом, в котором изменения, соответствующие внешнему ритму, заметны лишь эпизодически. Присутствие в этих флуктуациях ритма можно доказать, используя синхронное детектирование (метод наложенных эпох).
Система - множество связанных друг с другом элементов, представляющее собой целостное образование.
Скрытая материя (темная материя, скрытая масса) – присутствующее во Вселенной вещество, которое не удается наблюдать существующими астрономическими методами и проявляющее себя гравитационным воздействием на космические объекты, доступные наблюдениям.
С.м. была обнаружена при анализе скоростей галактик в их скоплениях и звезд в галактиках: они движутся так, как будто масса, формирующая гравитационное поле, значительно превосходит сумму масс всех наблюдаемых объектов. Еще одно свидетельство наличия в галактиках С.м. получено при наблюдении гравилинзирования - фокусировки света при рассматривании галактик "на просвет". Наблюдающийся при этом изгиб лучей света соответствует массе, многократно превосходящей совокупную массу звезд. Масса и протяженность этих "корон" из невидимого вещества очень велика. В нашей Галактике, например, она превышает массу звезд примерно в 20 раз, а размер занимаемой ею области превышает радиус звездного диска в 10 раз.
Относительно вещества, входящего в состав С.м., выдвинуто немало гипотез. Наиболее простым является предположение о том, что это холодные звезды (коричневыми карлики) или еще более мелкие космические тела, невидимые в телескопы. Результаты, полученные при помощи хаббловского космического телескопа, позволяют сделать вывод о том, что масса таких объектов не превышает 15% от массы видимых звезд (УФН, №10, 1998). Еще меньше возможный вклад других трудно наблюдаемых компактных космических объектов: нейтронных звезд и черных дыр.
По-видимому, основной вклад в скрытую массу дает материя в рассеянном состоянии - элементарные частицы, слабо взаимодействующие с веществом и поэтому трудно обнаруживаемые. Обязательное свойство этих частиц - отличная от нуля масса покоя, так как концентрироваться в гравитационных полях галактик и звезд могут только объекты, имеющие скорость не более нескольких тысячных долей от скорости света. Безмассовые частицы могут дать лишь равномерный фон, не проявляющий себя гравитационно. Из "освоенных" современной наукой частиц на роль С.м. годится нейтрино. Рассматриваются также нейтралино - гипотетические частицы, предсказываемые теорией "великого объединения", а также не обнаруженная пока экспериментально частица аксион, предсказанная квантовой хромодинамикой.
С.м. многокомпонентна, и ее изучение в значительной мере находится на уровне гипотез. Особый интерес представляют два возможных компонента С.м.: нейтрино и малые (“первичные”) черные дыры. Эти объекты могут ощутимо, а порой и катастрофично проявлять себя не только в глубинах Вселенной, но и на Земле.
Поскольку в настоящее время нет оснований для сомнения в универсальности законов гравитации, а иные силы, действующие на С.м. в Космосе неизвестны, разумно предположить, что траектории движения частиц С.м. независимо от их природы, не отличаются от траекторий любых других космических объектов: звезд, планет, астероидов и т.п. и могут быть рассчитаны обычными методами небесной механики. При высоких концентрациях частиц необходимо, кроме того, учитывать квантовые эффекты.
В соответствии с законами небесной механики, объекты могут быть связаны гравитационным полем лишь тогда, когда скорости их движения лежат в определенном диапазоне. Объекты, движущиеся в гравитационном поле, сами обладают гравитацией и образуют локальные гравитационно-связанные системы. Звезды входят в состав звездных скоплений, около звезд движутся планеты, астероиды, кометы, вокруг планет вращаются спутники. В каждой из этих систем, помимо наблюдаемых объектов, присутствует и С.м., причем скорости движения объектов С.м. относительно локальных центров гравитации, точно так же, как и скорости наблюдаемых объектов, имеют вполне определенные значения. Скорость объектов, движущихся в гравитационном поле галактик несколько сотен км/с. В Солнечной системе вблизи орбиты Земли скорость может лежать в пределах от 2,8 до 42 км/с; для системы Земли вблизи ее поверхности возможны скорости от 7,9 до 11,2 км/с.
Таким образом, земной наблюдатель находится одновременно в нескольких системах движущихся объектов (частиц) С.м.: галактической, солнечной, земной. Кроме того, из внегалактического пространства приходят частицы, имеющие скорость порядка 1000 км/с и выше. Возможно также существование системы, связанной со звездным скоплением, членом которого является Солнце. Каждая из этих систем обладает специфическим спектром скоростей, угловым распределением, временными вариациями. Вращение Земли приводит к тому, что для земного наблюдателя плотность потока галактической компоненты меняется с ритмом звездных суток. Для частиц, связанных с Солнцем, характерен солнечносуточный ритм изменения потока. Частицы системы Земли не имеют четкой направленности движения. Для вариаций плотности потока этой компоненты характерен лунносуточный ритм, а также ритмы, связанные с изменениями гравитационного поля в системе Земля-Луна-Солнце, главный из которых имеет период, равный синодическому лунному месяцу Тс=29,5 суток. Кроме того, должны проявляться ритмы, соответствующие периодам "резонансных" орбит с соизмеримыми Тс периодами (n/m)Тс, где n и m - небольшие целые числа. Таким образом, изменения плотности потока частиц системы Земли имеют сложный ритмический характер с преобладанием периодов около 5,9; 7,4; 9,8; 11,8; 14,8; 17,7; 19,7; 22,1; 23,6; 29,5; 35,4; 39,3; 44,2 суток. Такой набор ритмов обнаружен при исследованиях вариаций интенсивности фликкер-шума в полупроводниках. Это позволяет предположить, что фликкер-шум "отзывается" на изменение потока движущейся по околоземным орбитам С.м. Влияния, не связанные с орбитальными движениями, например непосредственное воздействие гравитационного поля или электромагнитного излучения, могут породить лишь гармонический ряд (1/m)Тс, т.е. только периоды 5,9; 7,4, 14,8; 29,5 суток. Изменение солнечной активности с ритмом около 27 суток также не может породить обнаруженный набор ритмов.
Помимо ритмов, связанных с синодическим лунным месяцем, в изменениях потока С.м. должны также присутствовать ритмы, связанные с изменением положения перигея Луны, изменением положения линии узлов и т.п.
Кроме плавных изменений, связанных с вращением Земли и изменением относительного положения Земли, Луны, Солнца и планет, для потоков С.м. характерны сильные кратковременные всплески, связанные с гравитационной фокусировкой звездами и другими астрономическими объектами. Этот эффект аналогичен известному эффекту гравилинзирования света. Но в связи с тем, что скорости частиц С.м. много меньше скорости света, их фокусировка гравитационными полями небесных тел происходит несравненно сильнее.
С.м., наряду с электромагнитным излучением и космическими лучами, является носителем космоземных связей, так как некоторые из компонентов С.м. (нейтрино, малые черные дыры), свободно достигая поверхности Земли, могут оказывать влияние на ход геофизических, биологических, физико-химических процессов.
Торсионное взаимодействие - взаимодействие, связанное с вращением. Большинство элементарных частиц обладает собственным вращением, которое характеризуется моментом количества движения - спином. Спин элементарных частиц, подобно электрическому заряду, может принимать строго определенные значения и является столь же фундаментальным свойством элементарных частиц, как масса и электрический заряд. Поскольку с массой и электрическим зарядом связаны два фундаментальных взаимодействия - гравитационное и электромагнитное, предполагают, что и со спином связано особое фундаментальное взаимодействие - торсионное. Согласно Г.И.Шипову, торсионное взаимодействие тесно связано со свойствами физического вакуума. Ряд экспериментов указывает на то, что торсионное взаимодействие, действительно, существует. Однако, вследствие неоднозначности результатов независимых проверок, суждение научной общественности о проблеме торсионных взаимодействий столь же неоднозначное.
Фликкер-шум (1/f-шум, избыточный шум) - аномальные флуктуации, для которых характерна обратно пропорциональная зависимость спектральной плотности мощности от частоты в отличие от белого шума, у которого спектральная плотность постоянна. Ф.ш. был обнаружен как медленные хаотичные изменения термоэмиссии катодов электронных ламп, получившие название "фликкер-эффект". В дальнейшем флуктуации с такими же свойствами были обнаружены во множестве физико-химических, биологических и даже социальных систем. В настоящее время термин "фликкер-шум", наряду с менее удобным, но более адекватным термином "1/f-шум", а также термином "макрофлуктуации" используется для обозначения аномальных флуктуаций в сложных системах. Разновидностью Ф.ш. является наблюдаемый в полупроводниках импульсный (взрывной) шум - ступенчатые изменения уровня сигнала со случайно распределенными интервалами времени между изменениями уровня.
Поразительно разнообразие объектов, в которых возникает Ф.ш. Это и недра Земли с землетрясениями, и горные массивы с камнепадами и снежными лавинами, и атмосфера с множеством происходящих в ней процессов, и Солнце с его активностью, и электронные приборы с электрическим шумом в области низких частот. Флуктуируют по закону 1/f многие параметры, характеризующие ход процессов в физико-химических системах и живых организмах. Свойствами фликкер-шума обладают изменения числа особей в популяциях и социальная активность в человеческом сообществе.
Схожесть характера флуктуаций в столь разных объектах становится понятной, если выяснить, что же их объединяет. Это, прежде всего, многочисленность неодинаковых элементов, из которых они состоят. Многие из этих элементов способны накапливать энергию и высвобождать ее при достижении некоторого порога. Если нет внешних воздействий, выделение энергии в системах такого типа флуктуирует по закону "1/f".
Нетрудно понять, что такие системы могут обладать высокой чувствительностью к слабым воздействиям. В них часть элементов находится в предпороговом состоянии, когда достаточно небольшого толчка, чтобы накопленная энергия сбросилась. Когда этот толчек происходит, все предпороговые элементы сбрасывают свою энергию одномоментно, и энерговыделение в системе многократно превосходит обычное. Усиленное энерговыделение может стимулировать сброс энергии у элементов, более удаленных от порога, что лавинообразно увеличивает величину эффекта.
Это происходит, если система до воздействия смогла "наполнить" свои резервуары, т.е. достаточно долго была без ощутимых внешних воздействий. При наличии же внешних достаточно сильных и частых воздействий сброс энергии элементами происходит далеко от порога, и коллективное высвобождение энергии не происходит. Это и объясняет парадоксальное свойство систем с Ф.ш.: сильный отклик на слабые и редкие воздействия и малозаметный отклик на сильные и частые воздействия.
Под "энергией" можно подразумевать все, что способно накапливаться и высвобождаться. Это и носители заряда, захватываемые дефектами кристаллической решетки в полупроводниках, и снег на горных склонах, порождающий лавины, и изменения в литосфере, приводящие к землетрясениям, и многое другое. Накапливаться может и социальная напряженность. Рассмотрение человеческого сообщества как системы с Ф.ш. позволяет понять многие парадоксы в социуме. Например, почему мощная держава разрушилась от слабого толчка (она долго была изолирована от внешних воздействий), а слабая власть, свергнуть которую стремятся многие, может существовать много лет (частые, хотя и несильные, локальные встряски не позволяет элементам общества накапливать околопороговые напряжения и делает невозможным одномоментное широкомасштабное его высвобождение).
Системы, генерирующие Ф.ш., имеющие множество накапливающих энергию элементов, обладают следующими свойствами:
- зависимостью величины эффекта от частоты их повторения типа 1/f: "слабые" события происходят часто, а "сильные" - редко;
- высокой чувствительностью к внешним воздействиям при условии, что таких воздействий перед этим не было достаточно долго. Геофизические и космические воздействия именно редкие и слабые, и неудивительно, что они проявляются в Ф.ш.;
- последействием: продолжительность отклика на внешнее воздействие может превышать продолжительность воздействия, после чего наступает "затишье" с пониженным уровнем флуктуаций и пониженной чувствительностью к воздействиям;
-"обратной" зависимостью силы отклика на повторяющиеся воздействия от силы воздействия. Чем сильнее воздействие, тем продолжительнее "затишье", поэтому повторные сильные воздействия могут вызвать сильную ответную реакцию только после достаточно продолжительной паузы. Если период повторения сильных воздействий меньше необходимой паузы, отклик на сильные воздействия может быть слабее, чем отклик системы на повторяющиеся с той же периодичностью более слабые воздействия;
- неодинаковостью отклика одинаково устроенных систем на одинаковые воздействия. Это свойство фликкер-шума связано с различными предысториями систем, в которых он возникает, и возможностью реализации различных направлений процессов в сложных системах.
Зная свойства систем, генерирующих фликкер-шум, можно понять сложный и неоднозначный характер их отклика на внешние воздействия, а также условия, при которых подобные устройства дают результаты, поддающиеся анализу, и могут быть использованы в качестве своеобразного детектора слабых воздействий. Для этого их надо как можно тщательнее изолировать от посторонних воздействий. До начала воздействий должно пройти время, достаточное для угасания переходных процессов и для записи "фонового" шумового сигнала. Сами воздействия должны быть кратковременными, интервал между ними должен быть достаточным для угасания последействия. Проведены успешные эксперименты с использованием таких детекторов для регистрации слабых воздействий неизвестной природы.
Флуктуации - случайные отклонения параметра, характеризующего систему из большого числа элементов, от его среднего значения; напр. изменение числа молекул в фиксированном объеме газа в результате теплового движения.
Согласно статистике и теории вероятности, величина флуктуаций, отнесенная к флуктуирующему параметру, обратно пропорциональна квадратному корню из числа элементов, поэтому в системе, состоящей из большого числа элементов, она очень мала. Однако если элементы системы обладают определенными свойствами (напр. способностью накапливать и высвобождать энергию), или если система воспринимает внешние воздействия, отклонения от среднего значения могут быть значительными (см. аномальные флуктуации, фликкер-шум).
Черная дыра - сгусток вещества настолько плотный, что его гравитация не позволяет свету выйти за пределы сферы, имеющий радиус R=2GM/c2 (G – гравитационная постоянная, M – масса объекта, c – скорость света). Ч.д. являются одним из компонентов скрытой материи.
Наиболее исследованы Ч.д., возникающие в результате эволюции звезд, имеющих массу более трех солнечных. Поскольку эти объекты сами по себе практически ничего не излучают, обнаружить их трудно, но, тем не менее, это удается сделать по косвенным признакам, по проявлениям их гравитации. В последние годы астрономам удалось обнаружить десятки объектов, которые можно отождествить с такими Ч.д. Значительно более массивные Ч.д. с массами до миллиарда солнечных обнаружены в ядрах галактик и в центрах шаровых звездных скоплений.
Масса Ч.д. не обязательно должна быть очень большой. Согласно существующим представлениям, Ч.д. с массами много меньше звездных могли образоваться на самых первых этапах формирования Вселенной, поэтому такие объекты принято называть “первичными черными дырами”. Возможно, именно малые Ч.д. служат "зародышами" в процессе образования звезд и планет.
Анализ свойств малых Ч.д. приводит к весьма интересным результатам. При массе меньше 1017 кг (примерно такую массу имеет вода в Черном море) радиус Ч.д. меньше размеров атома, и ее можно рассматривать как своеобразную элементарную частицу, взаимодействующую с окружающей средой преимущественно гравитационно. Если Ч.д. движется с космической скоростью (порядка 10 км/с и выше), она пронизывает Землю практически без потерь энергии. Но при низких скоростях взаимодействие резко возрастает, и Ч.д. может даже "застрять" в веществе. Анализ показывает, что наличие в Земле малых Ч.д. вполне возможно, и что "застревать" они могут недалеко от поверхности Земли, преимущественно в горных массивах и в тектонических разломах. Обнаружить их непросто, так как при глубине залегания в несколько км создаваемые ими на поверхности Земли гравитационные аномалии малы. "Сидят" черные дыры непрочно, и в результате, например, сейсмического воздействия они могут покинуть свое гнездо и выйти на поверхность, производя своим гравитационным полем разрушения в радиусе до нескольких десятков метров.
Малые Ч.д. могут проявлять себя гравитационным полем, тепловыделением и излучением частиц высокой энергии при квантовом испарении. Оценки показывают, что величина эффектов, которые они могут вызывать вблизи поверхности Земли, не выходят за рамки выявленных аномалий, т.е. данных, опровергающих предположение о наличии малых Ч.д. в недрах Земли и в околоземном пространстве, нет. Напротив, некоторые загадочные явления (внезапные разрушения зданий, смерчи, Сасовский феномен и др.) получают разумное объяснение, если допустить их связь с малыми Ч.д.
Электромагнитное взаимодействие - взаимодействие частиц, имеющих электрический заряд и (или) магнитный момент. Примерами таких частиц являются электроны, протоны, атомные ядра. Э.в. - дальнодействующее: с увеличением расстояния между частицами сила взаимодействия плавно спадает, сохраняясь, в принципе, на сколь угодно больших расстояниях.
Важнейшей особенностью Э.в. является наличие зарядов противоположного знака. Это делает возможным как притяжение частиц, так и отталкивание, а также отсутствие сил при взаимной компенсации зарядов.
Колеблющиеся электрические заряды или магнитные моменты порождают электромагнитные волны, в которых происходит периодическая "перекачка" электрического поля в магнитное и обратно. Электромагнитные волны излучаются в пространство и существуют как бы независимо от породившего их источника, распространяясь со скоростью с=300.000 км/с. Электромагнитные колебания с наиболее высокой частотой (1015...1023 Гц) - рентгеновские и гамма лучи возникают при внутриатомных и ядерных процессах. Самые низкочастотные (до 1013 Гц) электромагнитные колебания - это радиоволны. Середину диапазона занимает свет. Световое (оптическое) излучение - видимое, инфракрасное, ультрафиолетовое - возникает при взаимодействиях между атомами, при переходах атомных электронов с одной орбиты на другую.
Независимость электромагнитной волны от источника позволяет рассматривать ее как поток частиц, квантов электромагнитного поля - фотонов. Электромагнитные поля и излучения в настоящее время рассматриваются как основные носители космоземных связей.
