В. П. Казначеев д м. н., акад icon

В. П. Казначеев д м. н., акад


Смотрите также:
В. П. Казначеев д м. н., акад...
Новые поступления 2 Сельское хозяйство 2 Общие вопросы сельского хозяйства 2...
Научная программа...
Д. Н. Давиденко и по секции психологии здорового образа жизни...
Программа Самара, 2012 оргкомитет председатель: Счастливцев В. М. акад. Ран. (Екатеринбург...
Библиографический указатель книг, поступивших в библиотеку в январе 2009 г...
Акад. Илчо иванов димитров (1931 – 2002) фонд 20 опис 1...
Летние курсы литовского языка в Вильнюсе...
Руководства для работы комитетов по этике, проводящих экспертизу биомедицинских исследований...
Обзор литературы Апрель, май, июнь 2010 год Алгебра....
Бюллетень новых поступлений за январь 2008 года...
Работа выполнена в нии нейрохирургии имени акад. Н. Н. Бурденко рамн...



Загрузка...
страницы: 1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   18
вернуться в начало
скачать
^

Живое тело стремится к равновесию или уходит от него?



А.С.Харитонов

ВВЕДЕНИЕ

С одной стороны, "в каждой науке столько истины, сколько в ней математики" (И. Кант), а, с другой стороны, если аксиомы математики исключают цель исследования, то такая математика является источником дополнительных заблуждений. Существующие аксиомы и постулаты математики возникли при эволюции моделей от простого к сложному. Они сформировались как линейные математические модели, которые необходимы и достаточны для утилитарных целей исследования. Расширение целей привело к противоречию выводов из линейных математических моделей известному опыту эволюции сложных систем. Исходные линейные математические модели исчерпали пути своего усовершенствования, и они подлежат полной замене, входя в новые модели как частные случаи.

В настоящей работе показано, что первая линейная модель, упрощения свойств реальности, заложена уже в натуральном ряде чисел. Последующее наслоение линейных моделей на свойства натурального ряда чисел привело не только к теоретическим противоречиям при описании биологической эволюции, но и к росту угроз нашей цивилизации от научно-технического прогресса.

Автор разработал новое описание природы на основе баланса взаимодействия бытия и небытия с помощью мер хаоса и порядка в трех классах переменных [1], которое не использует традиционную иерархию линейных математических моделей (приложение 1) и раскрывает новые свойства эволюции сложных систем.

Применение этого нового математического описания в социологии уже позволило иначе раскрыть природу войн, функции государственного управления, задачи национальной безопасности и мобилизационной готовности [2,3].

В данной статье рассматривается необходимость отказа от известных линейных математических моделей равновесия систем на примере разрешения известного противоречия, возникшего в понимании физической специфичности живой природы: «Живое тело уходит от равновесия или стремится к своему равновесию?»


^ ВЫБОР МОДЕЛИ РАВНОВЕСИЯ

Профессор МГУ Н.И. Кобозев заинтересовал меня в 1968 году проблемой разрешения известного противоречия: биологические и социальные системы возникают, живут, развиваются, и, в конечном итоге, элиминируют, а согласно второму закону термодинамики они должны эволюционировать только к максимальному хаосу и деградации форм энергии. Это противоречие обнаружилось в науке сразу после возникновения термодинамики. Так, один из основателей второго закона термодинамики В. Томсон заметил в 1842 году: с одной стороны, закон ослабевания внешних сил в системах является всеобщим, с другой стороны, «тело животного работает не как термодинамическая машина»[ 4].

Многие попытки понять физическую специфичность живого организма связаны с рассмотрением его как открытой системы, так как он обменивается энергией, веществом и информацией с окружающей средой /Л. Онзагер, И. Пригожин и Г. Хакен/.

Н.И. Кобозев и его ученики предложили искать разрешение этого противоречия за счет диалектики хаоса и порядка в нелинейных осциллирующих системах на идеях синхронизации нелинейных колебаний А.А. Ухтомского [5].

Л.А. Блюменфельд помогал мне продвинуться в разрешении этого противоречия с 1974 года [6]. Л.А. Шелепин помог установить связь канонического распределения энергии с золотой пропорцией в немарковских процессах с памятью[7]. А.А. Рухадзе консультирует меня по вопросам физики, а Л.Г. Охнянская - по вопросам физиологии человека.

Сформулируем это противоречие в следующем виде:

«Живое тело уходит от равновесия и питается отрицательной энтропией или стремится к своему особому равновесию и борется за структурную энтропию?» Рассмотрим разрешение этого противоречия.

Многие ученые (С.Карно, В.Томсон, Э.Мах, Н.А.Умов) стояли на позиции единства живой и неживой природы:

«Все тела в природе стремятся к своему равновесию».

И это действительно так, если мы принимаем за равновесие минимум свободной энергии образования системы с переменной внутренней организацией с учетом взаимодействия трех энтропий в трех классах переменных:

Fmin = E- kT {S(p)+S(q)+S(l)}max. (1)


где Fmin – свободная энергия образования системы с переменной внутренней организацией, E – полная энергия такой системы, kT – температура в единицах энергии, S(p) – энтропия импульсного пространства микросостояний, S(q) – энтропия координатного пространства микросостояний, S(l) – энтропия структурного пространства микросостояний, характеризующая структурное многообразие динамических элементов.

Природа является незамкнутой системой по структуре, в ней идет вечная борьба структур за существование, приводящая периодически к изменению ее организации. Поэтому природу целесообразно рассматривать как систему с переменной внутренней организацией. Где постоянно изменяется память об организации структуры динамических элементов, связи и взаимодействия между ее частями [1]. Свободная энергия такой системы осциллирует около положения своего равновесия за счет дополнительного учета структурной энтропии даже при постоянстве внешних условий. При этом величина этой свободной энергии может быть сопоставима с величиной полной энергией системы. Внешние факторы могут только подавлять или усиливать внутренние осцилляции свободной энергии образования такой системы, и только совместная синхронизация внешних и внутренних осцилляций может описывать развитие организации сложных систем в природе.

Такое определение равновесия соответствует представлению отечественных физиологов (И.М.Сеченов, Н.Е.Введенский, А.А.Ухтомский) о том, что

«Живой организм стремится активно к равновесию со своей средой обитания» за счет изменения своей структуры с целью сохранения целостности своей организации.

Организация тел не учитывается в механике, термодинамике и статистической механике, поэтому равновесие в них задается минимумом свободной энергии образования без учета изменения структуры динамических элементов:

Fmin = U- kT S(p,q)max, (2)

где U – внутренняя энергия системы, kT –температура, выраженная в единицах энергии, и S(p,q) – энтропия или мера хаоса, определенная в двух независимых классах переменных: координат q и импульсов p.

Согласно такой (бесструктурной) механистической модели равновесия «Живое тело уходит от равновесия …» как считали многие ученые (П.Флоренский, Э.Бауэр, А.Гурвич, Э.Шредингер, И.Пригожин, Н.Моисеев). В этом случае не учитывается тот факт, что механистическая модель равновесия (2) применима только для описания эргодических систем, когда изменением организации и памяти о структуре элементов можно пренебречь.

Соответственно на основе механистической модели равновесия (2) замкнутые системы эволюционируют только к максимальному хаосу и деградации согласно второму закону термодинамики. А выражение свободной энергии (1) позволяет описывать внутренние осцилляции около положения равновесия и развитие организации сложных систем.

Важно, что выражение свободной энергии (1) содержит эволюцию отношения последующих структур к золотой пропорции, которую впервые описал Л. Пачоли в книге «Божественная пропорция», Венеция, 1508(9), с иллюстрациями Леонардо да Винчи вместо формул. Этот факт эволюции структур к гармонии подтверждается экспериментально большим числом исследований в настоящее время [8]. Сегодня этот факт дополнительно подтверждается устройством генома живого организма, описанного С.В.Петуховым[9], деятельности сердца, описанного независимо в работах О.Б.Балакшина[10] и В.Д.Цветкова[11].

При таком содержании модели равновесия структур все живое стремится к равновесию – оптимальному отношению частей и целого или к гармонии по золотой пропорции. В нашей работе [1] показано, что усредняя свойства золотой пропорции, мы получаем статистическое и термодинамическое равновесия как ее частные случаи. Откуда следует, что живое и неживое стремятся к общему структурному равновесию, описываемому с помощью золотой пропорции или к гармонии, как это впервые описал Л.Пачоли [12] во внутренней системе отсчета. Никакого противоречия в цели эволюции живого организма и неживой тела к равновесию не возникает, если под равновесием понимается оптимальное отношение частей и целого или равновесие мер хаоса и порядка во внутренней системе отсчета. Все объекты природы стремятся к одному и тому равновесию, но разными способами/1/ во внутренней системе отсчета.

Математическое описание эволюции к гармонии использовал И.Кеплер в книге «Гармонии мира» /1619г/. В 1695 году Г.Лейбниц провозгласил: «Миром правит Предустановленная гармония». На идее гармонии Ш.Фурье предложил основывать социальное управление в книге «Всемирной гармонии» /1803г/. Ф.М.Достоевский, прочитавший труды Ш.Фурье, завещал, что предназначение России - восстановить гармонию для себя и для других народов.

Итак, в зависимости от выбора математической модели равновесия (1) или (2) имеем принципиально разное понимание физической специфичности живой природы, то есть самих себя и цель своей эволюции.

Ниже рассмотрим дополнительное обоснование модели равновесия по формуле (1) и начнем с анализа взаимосвязи между выбранной моделью равновесия системы и с целью ее эволюции.


^ РАВНОВЕСИЕ И ЦЕЛЬ ЭВОЛЮЦИИ


Внешние силы всегда ослабевают в системе, как это установлено известным физическим опытом и его частным описанием во втором законе термодинамики /4/. Поэтому можно утверждать в обще виде, что объекты природы эволюционируют после возмущения к исходным условиям своего равновесия. Поясним это факт следующими примерами.

Если в теории за исходную модель равновесия системы принят баланс взаимодействия бытия и небытия, описываемый равновесием мер хаоса и порядка, то такая теория описывает эволюцию любых природных систем после возмущения к равновесию хаоса и порядка с помощью фрактала золотой пропорции [1 ].

С позиции такой теории: все природные системы стремятся после возмущения к равновесию бытия и небытия, но разными способами.

Если исходное равновесие построено на модели равновесия частиц и сил в механике И.Ньютона, где тело заменяется его центром тяжести для линеаризации модели описания его движения, то эта механика описывает эволюцию систем к линейному балансу приложенных сил. Если на основе механики принята за основу модель теплового равновесия системы, то термодинамика описывает эволюцию природы к «тепловой смерти Вселенной». Если на основе термодинамики принята модель статистического равновесия Больцмана-Гиббса, то такая статистическая механика описывает эволюцию замкнутых систем к максимальному хаосу.

Опыт существования биологических и социальных систем противоречит такому пониманию эволюции, а, следовательно, для них не приемлемы эти линейные механистические модели равновесия, пренебрегающие памятью об организации системы [13].

Целью самодвижения биологических систем является сохранение целостности своей организации, на что обращали внимание А.Гурвич и Н.Бернштейн и, в первую очередь, за счет изменения структуры своих динамических элементов.

Жизнь существует в определенных формах организации вещества и борется за свое безопасное будущее и стремится к своему равновесию бытия и небытия со своей окружающей средой с целью сохранить целостность своей организации.

Из этого следует, что модели равновесия механики, термодинамики и статистической механики, пренебрегающие организацией материи, нельзя применять для исследования физической специфичности организации живой природы.

Еще С.А. Подолинский обратил внимание в 1880 году на то, что биологические и социальные системы концентрируют потоки солнечной энергии для совершения полезной работы [14]. Поэтому их эволюция не сводится только к росту процесса рассеяния энергии, который описывается статистической механикой, пренебрегающей процессом концентрации энергии в системах.

Н.А. Умов предложил в 1902 году дополнительно к механике и термодинамике учитывать переменную структуру динамических элементов для понимания физической специфичности живой природы. Резонанс структурных параметров позволяет объяснить дальнодействие в природе и работу биологических систем против второго закона термодинамики[15].

Исследованию скрытых взаимодействий в биологических системах посвящены работы А. Гурвича, Н. Бернштейна, К. Тринчера и В. Казначеева.

Возникает естественный вопрос, а для всех ли физических систем применима модель равновесия по формуле (2), пренебрегающая организацией систем?

Современная физика обнаружила, что для описания плазмы, стекла, полимеров не выполняются эргодическая гипотеза и постулаты механики И.Ньютона и статистической механики Больцмана-Гиббса из-за изменения плотности вещества и памяти об организации структур в этих системах [16].

В моих работах [1] показано, что определять энтропию равной мере хаоса, как постулировал Л.Больцман в 1878 году можно только в частном случае, когда процессом концентрации энергии в системах можно пренебречь и можно заменять тела их центром тяжести - материальной точкой.

В общем случае статистическая энтропия равна сумме мер хаоса и порядка;

= I*+G*, (3)

где LnK – безразмерная статистическая энтропия, I*- мера неопределенности состояния или мера хаоса, G*- новая функция, мера определенности состояния системы или мера порядка, К - число рассматриваемых микросостояний системы, fi -вероятность i-го микросостояния.

Энтропия определяется в общем случае как функция не менее чем трех классов переменных. К координатам и импульсам, характеризующим движение центра тяжести тел, мною добавлен третий класс переменных, характеризующий структурные параметры физических тел [1].

Теория вероятностей была построена А.Н. Колмогоровым для определенных утилитарных целей, пренебрегающих организацией систем, когда связь энтропии и вероятности событий можно задать дифференцируемой функцией, то есть упростить описание и G*-мерой порядка - можно пренебречь.

Постулат Л.Больцмана о равновероятности допустимых микросостояний в статистическом равновесии системы приравнивает меру порядка G* нулю. Поэтому постулат Л.Больцмана рассматривает частный случай связи энтропии (меры внутреннего превращения) с вероятностью реализуемых микросостояний, когда взаимодействием бытия и небытия можно пренебречь и описывать только обратимые во времени процессы для идеального газа, удовлетворяющего эргодической гипотезе, так как его организация не изменяется в процессе эволюции.

Кроме того, ранее автором обращено внимание на то, что равенство мер хаоса и порядка:

I*=G*= 1/2LnK=LnW (4)

включает в себя постулат Л.Больцмана как частный случай /1/. Поэтому можно строить статистическую физику, начиная не с постулата Больцмана и Гиббса о микроканоническом распределении энергии W, а с постулата о равенстве мер хаоса и порядка в рассматриваемой системе (4).

Для равновесного идеального газа мера хаоса максимальна по координатам и импульсам и минимальна по типам степеней свободы, так как все частицы обладают только поступательными степенями свободы. Соответственно мера порядка имеет минимальное значение по координатам и импульсам и максимальное значение по типам степеней свободы.

^ ИДЕАЛЬНЫЙ ГАЗ

I*(p,q) - max, I*(l) - min

G**(p,q) - min , G*(l) - max

В модели идеального газа К - число микросостояний - задается как постоянная величина, определяемая в двух независимых классах переменных (p) и (q) - импульсов и координат: К=К(p,q)=К(p)К(q). Такое определение числа микросостояний идеального газа справедливо, так как его организация всегда постоянна. При рассмотрении макромолекулы приходится вводить третий класс переменных l – набор типов степеней свободы, характеризующий структуру динамических элементов [17]. Кроме движения центра тяжести тел по координатам и импульсам приходится учитывать структуру динамических частиц, которой пренебрегают обычно для систем с достоверной плотностью вещества. В этом случае число рассматриваемых микросостояний К является нелинейной мультипликативной функцией:

К=К(p)К(q)К(l)= К(p,q,l). (5)

Новым постулатом статистического равновесия сложных систем с переменной внутренней организацией служит равенство мер хаоса и порядка в трех классах переменных:

I (p, q, l) = G (p, q, l), (6)

В этом случае имеем новый способ холистического описания систем, от единства и целостности природы, согласно линейному соотношению (6), к исследованию нелинейной осцилляции организации природы в процессе эволюции. Природа в целом линейна и сбалансирована взаимодействием бытия и небытия, где бытие описывается мерой хаоса, а небытие - мерой порядка, процессы рассеяния и концентрации энергии уравновешены, меры хаоса и порядка равны в трех классах переменных. Организация же природы не уравновешена и нелинейно осциллирует в поиске своего равновесия, порождая развитие организации объектов природы, которое не нарушает закона сохранения энергии в системе с переменной внутренней организацией и постулат (6).

Таким образом, не только для описания физической специфичности живого организма и социума, но и для физики сложных неэргодических систем нужна новая модель статистического равновесия природы, учитывающая внутренние осцилляции организации сложных систем.

Ниже рассмотрим, почему новая математическая модель природы не может строиться на натуральном ряде чисел.


^ ЛИНЕЙНЫЕ СВОЙСТВА ЧИСЕЛ В НАТУРАЛЬНОМ РЯДЕ

Обратим внимание на свойства числа, используемые в науке.

Число описывает

1. Количество чисел, элементов и величину функций в системе.

2. Отношение чисел, элементов и функций в системе.

3. Порядковый номер числа, элементов и функций в системе.

В натуральном ряде чисел используется линейная зависимость числа от его порядкового номера:

An=n. (7)

В этом частном случае алгебра и геометрия эквивалентны, что позволило Р.Декарту ввести на принципе дуализма внешнюю систему отсчета параметров для описания движения центра тяжести тел.

Аксиомы геометрии, как было известно еще Платону, пренебрегают всем, что возникает и исчезает в природе, и позволяют описывать только повторяющиеся закономерности природы и удовлетворяют закону тождества

А≡А.

Математика, построенная на законе тождества и линейных свойствах числа (от его порядкового номера), игнорирует нелинейную функцию эволюции последующих чисел к золотому сечению при n→∞: 




(8)


Математическое описание эволюции структур к золотому сечению построил Л. Пачоли на рекуррентном ряде чисел Л.Фибоначчи /1202г./

Рекуррентная связь чисел:

Аn= An-1+An-2 (9)

при А1 ≥0 и A2 >0 приближает выражение:




к золотой пропорции при n→∞: (10)

Порядковый номер числа может быть произвольным, его значения пробегают от единицы до бесконечности: n=1,2,3,….∞.

Золотое сечение ф разделяет интервал [0 - 1] на части: [0 - ф] и [ф - 1], так что три интервала связаны между собой одним отношением ф . Выделение на интервале от нуля до единицы [0 - 1] третьей особой иррациональной точки ф очень важно. Эта точка ф указывает на бесконечную осцилляцию эволюции отношения структурных параметров природы к ф, которую никогда не достигает.

Определенные рекуррентные действия с золотой пропорцией порождают ряд Фибоначчи [1]:



Этот ряд Fn наблюдается часто в биологических и социальных системах:

0, 1, 1, 2, 3, 5,8,13,21,34,55,89,144,…

Важно, что эта закономерность эволюции структур не рассматривается традиционной математикой, основанной на законе тождества А≡А и на натуральном ряде чисел (1, 2, 3, 4, 5…), где каждое число совпадает с его порядковым номером и описывается линейной функций (7).

Отношения числа An к его последующему значению An+1 в натуральном ряде чисел пробегают значения от 0,5 к единице, 1.

Эти же отношения An /An+1 для последовательности чисел Фибоначчи описывают бесконечную осциллирующую закономерность от n, которая стремится к золотому сечению:

0, 1, 0.5, 0.6(6), 0.6, 0.625, 0.615, 0,619, 0,617 → ф. (11)

Каждое последующее отношение чисел в ряде Фибоначчи больше или меньше числа ф и никогда не повторяется, а закон тождества А≡А уравнение рекурсии (9) включает в себя как частный случай при An-2 =0. .

Натуральный ряд чисел представляет собой линейную последовательность чисел от их порядкового номера An=n, на его основе описываются только повторяющиеся закономерности в природе. А ряд Фибоначчи представляет собой нелинейную последовательность от n, которая порождает уникальные отношения между числами, то есть она отражает возникновение новых структурных элементов в системе.

Последовательности чисел натурального ряда и ряда Фибоначчи совпадают только в начальном интервале для трех значений 1, 2, 3 и далее они расходятся и дают различные количественные и качественные результаты при описании систем. На основе линейной функции натурального ряда чисел традиционная математика описывает только обратимые во времени, повторяющиеся закономерности природы. Физика на ее основе описывает эволюцию систем только к максимальному хаосу. А на нелинейной рекуррентной последовательности (9) математика описывает неповторяющиеся закономерности и эволюцию последующих структур к гармонии, ф.

Нелинейные изменения последующих структур, описываемых рядом чисел Фибоначчи, привели к известному закону Вебера-Фехнера (логарифмическому представлению воспринимаемых сигналов органами чувств в окрестности некоторых интервалов их изменения).

В работах автора построен фрактал золотой пропорции, который содержит бесконечное множество таких неповторяющихся закономерностей между числами в рядах Фибоначчи и тиражирование возникающих уникальных неповторимых чисел или структур в системе. Поэтому возникают скрытые нелинейные осцилляции между новыми структурами и их тиражированием во фрактале золотой пропорции. Эти нелинейные закономерности приближенно можно описывать с помощью структурной энтропии в выражении свободной энергии образования системы (1). Структурная энтропия задает внутренние осцилляции в системе, которые исключались из рассмотрения природы линейной функцией натурального ряда чисел (7 ) и законом тождества А≡А , на которых построена в современная физика.

С другой стороны, свойства фрактала золотой пропорции порождают счетное поле чисел, удовлетворяющих теореме Пифагора, равновесным функциям распределения и натуральному ряду чисел, то есть линейные соотношения, принятые в современной физике.

Важно, учет этой нелинейной зависимости чисел от их порядкового номера позволил ввести фрактал золотой пропорции как новый физико-математический объект, который порождают наши представления о веществе, пространстве и взаимодействии и открывает новые возможности в познании законов природы.

Из него следуют так же новые фрактальные свойства чисел, например числа 2 :

2=,

Число 3 может быть представлено бесконечным числом способов через ф и числа рядов Фибоначчи и Люка:

.

Само золотого сечения можно описывать фракталом;


.


где Ln-1 - ряд Люка, равный сумме двух рядов Фибоначчи, сдвинутых на два шага:

Ln-1 = Fn+F(n-2).

Ряды чисел Фибоначчи и Люка порождают золотое сечение тремя разными способами, и при n→∞ возникает фрактал, в котором, с одной стороны, возникает одна и та же эволюции к золотому сечению, а с другой стороны, периодически возникают новые числовые соотношения и новые взаимодействия между элементами этого фрактала.

Всеми фракталами, вытекающими из уравнения (9), пренебрегается при построении математики на линейной модели натурального ряда чисел (7) и законе тождества А≡А.


^ ПРИНЦИП НОВОГО ОПИСАНИЯ ПРИРОДЫ


Новый способ математического описания природы построен на принципе разбиения целого на три различные неравные взаимосвязанные изменяющиеся части.

Целое – единица 1 разбивается на три множества и для описания этого разбиение используем формулу полного набора вероятностей, где три множества объедены операцией сложения в некоторую целостность:

(12)

где К - число рассматриваемых состояний системы; fi - вероятность каждого состояния; последовательность этих состояний i.

Далее учтем, что эти три множества (К, fi i ) могут изменяться, не нарушая целостности системы. Тогда, учитывая, что К мультипликативная величина и последовательность i не имеет значения, имеем разбиение целого (единицы) на сумму двух функций:

=I+G, (13)

где 1 – единица - отражает целостность системы, I – мера хаоса - описывает реализуемые состояния системы или бытие, G – мера порядка - описывает запрещенные для реализации состояния системы или небытие на множестве рассматриваемых состояний К.

Соотношение между мерами хаоса и порядка в общем случае таково, что мера хаоса меньше или равна мере порядка:

I ≤ G, (14)

так как всегда можно выбрать такое большое число рассматриваемых состояний К, в котором большая часть событий запрещена для реализации. Число запрещенных состояний в природе всегда больше числа реализуемых состояний. Небытие всегда больше бытия. /«Человечество - это большая часть мертвых и малая часть живущих» ради продолжения своего рода. Человечество - это активное взаимодействие бытия и небытия. Социальное управление направляет это взаимодействие бытия и небытия в интересах более безопасной организации своего будущего. Однако, если такое управление нарушает гармонизацию интересов народа и власти, социальный кризис становится неизбежным, и остается только вопрос о сроках и о цене его преодоления.

Следующий шаг разбиения целого на переменные части рассматривает взаимодействие процессов рассеяния и концентрации энергии между собой, описываемых мерами хаоса и порядка в трех классах переменных. Все возможные взаимодействия мер хаоса и порядка, не нарушающие целостность системы или принцип сохранения энергии, описываются симметрией мер хаоса и порядка:

I(p)+∆I(q)+∆I(l)=0. (15)

Насколько возрастает бытие (хаос) по одним переменным, настолько же бытие (хаос) убывает по другим переменным, затрагивая три класса переменных.

Выберем из всевозможных изменений мер хаоса (15) только необратимые изменения, которые удовлетворяют уравнению рекурсии (9), которой Л. Пачоли характеризовал эволюцию структур к гармонии. Тогда новый принцип описания природы согласуется с известными теориями и опытом эволюции сложных систем.

В качестве нового объекта исследования природы автор предлагает рассматривать процесс рассеяния энергии в трех классах переменных вместо известных объектов, таких как материальная точка, поле, волна, суперструна. Тогда развитие организации системы описывается преимущественным ростом структурной энтропии или процессом рассеяния энергии по структурному многообразию динамических элементов.

Про развитие на примере живого организма обычно писали, что «живое питается отрицательной энтропией» на основе статистической механики Больцмана-Гиббса, а в нашем случае развитие происходит за счет роста структурной энтропии, который компенсирует уменьшение обычной энтропии по координатам и импульсам.

Каждый шаг возникновения новой структуры в природе связан с предыдущими структурами и образует рекуррентный процесс развития с памятью [7]. Процесс рассеяния энергии за счет увеличения структурного многообразия динамических элементов описывает развитие систем и отражает свойства фрактала «золотой пропорции».

Важно, что новое описание впервые установило критерий отбора для выживания физических, биологических и социальных систем. Те системы, которые в результате каких-либо изменений обладают минимумом свободной энергии образования системы по формуле (1) или при локальном рассмотрении находятся вблизи к тройственной гармонии по золотой пропорции, имеют преимущества для выживания в процессе эволюции перед другими системами.


Приложение 1


Аксиомы линейных математических моделей можно систематизировать в следующей последовательности их использования:

  1. Натуральный ряд чисел

  2. Эквивалентность алгебры и геометрии

  3. Введение внешней системы отсчета

  4. Замена тел их центром тяжести в механике И. Ньютона

  5. Постулат Л. Больцмана о равновероятности микросостояний в статистическом равновесии

Использования этих линейных моделей, удовлетворяющих закону тождества А≡А, привело к противоречию с опытом эволюции объектов природы, где «Дважды нельзя войти в одну реку» / Гераклит/.

Поэтому предлагается соответственно:

  1. Ряд Фибоначчи,

  2. Фрактал золотой пропорции,

  3. Внутренняя система отсчета, построенная на балансе взаимодействия бытия и небытия, описываемая с помощью мер хаоса и порядка.

  4. Описание статистического равновесия тел в трех классах переменных.

  5. Постулат о равенстве мер хаоса и порядка в условиях статистического равновесия.

Новые нелинейные закономерности эволюции выводятся на принципе разбиения целого (единицы) на три различные неравные и взаимосвязанные изменяющиеся части.


Приложение 2

Таблица сравнения различных математических моделей


Модель,

свойства

Принятые упрощения, их результат

Результаты нового подхода

Последова-тельность чисел

Натуральный ряд чисел - линейная функция от порядкового номера

Аn=n

Ряд чисел Фибоначчи - нелинейная рекуррентная функция от порядкового номера: Аn= Аn-1 + Аn-2 , которая совпадает в начальном интервале с натуральным рядом чисел (1,2,3) и приближенно описывается степенной зависимостью на некотором отдаленном интервале, что отражено в законе Вебера-Фехнера.

Энтропия – мера внутреннего превращения

Энтропия равна мере хаоса в двух классах переменных:



Энтропия равна сумме мер хаоса и порядка в трех классах переменных:



Цель эволюции

максимальный хаос: I(p,q) =max

баланс бытия и небытия

I(p,q,l) = G(p,q,l)

Принцип описания

Дуализм, дихотомия при рассмотрении природы от постулированных свойств частиц к исследованию целого

Триединство при рассмотрении природы от целого к исследованию эволюции ее частей

Самоуправление

Не рассматривается

Следующий шаг исследования

Самодвижение

Самодвижение отсутствует в линейных моделях

Самодвижение вызывается изменением организации системы

Процесс концентрации энергии

Процесс концентрации энергии ее рассматривается

Процесс концентрации энергии описывается мерой порядка в трех классах переменных G(p,q,l),

Пространство

Аксиомы геометрии пренебрегают всем, что возникает и исчезает в природе

Фрактал золотой пропорции – новый математический объект, учитывающий эволюцию чисел (и структур) в природе

Число

Число - постоянная линейная

величина

Число - постоянна величина, обладающая фрактальными (нелинейными) свойствами или памятью о своем происхождении.

Видение бытия

Материя движется только в пространстве и времени

Материя изменяет свою организацию, порождая пространство, вещество и взаимодействия

Тело

Тело заменено центром тяжести, пренебрегая размером и резонансными взаимодействиями

Тела описываются в статистическом равновесии в трех классах переменных

Движущая сила

эволюции

Минимум свободной энергии образования системы:

Fmin = U- kT S(p,q)max,

описывает линейную эволюцию к «тепловой смерти Вселенной»


Минимум свободной энергии образования системы:

Fmin = E- kT {S(p)+S(q)+S(l)}max, описывает нелинейную эволюцию осциллирующей частей и организации сложных систем к тройственной гармонии.

Критерий преимущества выживания физических, биологических и социальных систем

Критерий отсутствует

Критерий: градация систем (Ламарк) определяется минимумом свободной энергии образования системы или тройственной гармонией



Диалектика: линейные свойства природы как целого приводят к нелинейной осцилляции ее частей и организации.

Мир единственен и целостен, то есть линеен, а эволюция его частей и чисел нелинейна. В природе работает критерий отбора организации материи: преимущество для выживания физических, биологических и социальных систем описывается минимумом свободной энергии образования системы с переменной внутренней организацией.

Имеют место скрытые осцилляции, возникновение новых чисел (и структур) в рядах Фибоначчи и Люка и их тиражирование во фрактале золотой пропорции.

Живое эволюционирует для сохранения целостности своей организации к минимуму свободной энергии образования по формуле (1) , а не уходит от равновесия, как это происходит на основе линейных механистических моделей равновесия по формуле (2).

Выводы

  1. Физические, биологические и социальные системы эволюционируют разными способами к общему равновесию мер хаоса и порядка в трех классах переменных во внутренней системе отсчета.

  2. Равновесие мер хаоса и порядка в трех классах переменных можно моделировать оптимальным отношением частей и целого в организации материи по золотому сечению.

  1. Свободная энергия образования системы с переменной внутренней организацией характеризует движущие силы нелинейной осцилляции организации объектов в природе.

  2. Критерий преимущества для выживания систем - минимум свободной энергии образования системы с переменной внутренней организацией или близость к тройственной гармонии по золотому сечению.

  3. Новый принцип математического описания природы - разбиение целого на три изменяющиеся части, связывающие линейные свойства природы с нелинейной осцилляцией эволюции ее частей и организации объектов в целом.



Литература

  1. Харитонов А.С. На принципе триединства бытия. //Сб. Казначеевские чтения 2. Новосибирск. 2009. С. 157- 184.

  2. Харитонов А.С. Тройственное видение природы войн. //Вестник Академии военных наук.№13. 2005.

  3. Харитонов А.С. Народ и власть: гармония интересов. // Государство, религия, церковь в России и за рубежом. № 3 – 4, 2007. С.18 – 25.

  4. Томсон В. О проявляющейся в природе общей тенденции к рассеянию механической энергии. Сб. Второе начало термодинамики. М.-Л., ГТТИ. 1934. С.180.

  5. Охнянская Л.Г., В.П.Мишин, Э.Л.Спектор. А.А.Ухтомский и развитие идей теории нелинейных колебаний в области физиологии. Сб. Учение А.А. Ухтомского о доминате и современная нейрофизиология. Ленинград., Наука. 1990. С.60-84.

  6. Блюменфельд Л.А. Решаемые и нерешаемые проблемы биологической физики. М., УРСС, 2002.

  7. Харитонов А.С., Шелепин Л.А. "Принцип золотой пропорции как характеристика процессов с памятью." Сб. "Стратегия жизни в условиях планетарного экологического кризиса". 2002, том. 2,С.378-385.

  8. Сб. Метафизика век ХХI, под редакцией Ю.С.Владимирова. М., Бином. 2006

  9. Петухов С.В. Матричная генетика,. 2008.

  10. Балакшин О.Б. Коды да Винчи - новая роль в естествознании? М. 2008.

  11. Цветков В.Д. Золотая гармония и сердце. Пущино. 2008.

  12. P a c I o l i L u c a «De divina proportione», Veneziae, 1509.,

  13. Азроянц Э.А., Харитонов А.С., Шелепин Л.А. Немарковские процессы как новая парадигма.// Вопросы философии, 1999, № 7, С. 94 – 104.

  14. Подолинский С.А. М., Ноосфера. 1991.

  15. Умов Н.А. Физико-механическая модель живого. М., 1902 г

  16. Лифшиц И.М. Некоторые вопросы статистической теории биополимеров // ЖЭТФ 1968 т.55 С.2408.

  17. Харитонов А.С. Структурные свойства макромолекулы в термостате. //Прикладная физика №1, 2008, С.13 – 166.



Феномен сверхпроводимости в металлах при положительных температурах


Г.А. Марков, В.Н. Малышев, А.И. Родионов, И.А. Шестопалов


Введение. Явление сверхпроводимости, открытое в 1911 году нидерландским физиком Х. Камерлинг-Оннесом в металлах при температурах близких к абсолютному нулю, предполагает резкое снижение удельного сопротивления проводника практически до нуля и до сих пор будоражит умы всех, кому интересна его природа и перспектива возможности передавать энергию на большие расстояния без потерь. Согласно классической электронной теории, удельное сопротивление металлов должно монотонно уменьшаться при охлаждении, оставаясь конечным при всех температурах. Такая зависимость действительно наблюдается на опыте при сравнительно высоких температурах. При более низких температурах порядка нескольких Кельвинов удельное сопротивление многих металлов перестает зависеть от температуры и достигает некоторого предельного значения. Критическая температура у ртути равна 4,1 К, у алюминия 1,2 К, у олова 3,7 К. Сверхпроводимость наблюдается не только у элементов, но и у многих химических соединений и сплавов. Например, соединение ниобия с оловом (Ni3Sn) имеет критическую температуру 18 К. Некоторые вещества, переходящие при низких температурах в сверхпроводящее состояние, не являются проводниками при обычных температурах. В то же время такие «хорошие» проводники, как медь и серебро, не становятся сверхпроводниками при низких температурах.

Классическая электронная теория не способна объяснить явление сверхпроводимости. Объяснение механизма этого явления было дано только через 60 лет после его открытия на основе квантово-механических представлений. В 1957 году Джон Бардин, Леон Куппер, Джон Шриффер создали знаменитую теорию БКШ, описав явление сверхпроводимости на микроскопическом уровне [1]. Теория БКШ вскрыла механизм сверхпроводимости. Было выяснено, что в его основе лежит электрон-фононное взаимодействие, которое приводит к образованию куперовских пар, переносящих "сверхток". Теория БКШ позволила выразить критическую температуру через фононные и электронные характеристики. Но максимум, чего удалось добиться за 30 лет со времени публикации БКШ, - повысить температуру сверхпроводимости до 24 К в 1973 г.

Научный интерес к сверхпроводимости возрастал по мере открытия новых материалов с более высокими критическими температурами. Значительный шаг в этом направлении произошел в 1986 году, когда было обнаружено, что у одного сложного керамического соединения Tкр = 35 K. Уже в следующем 1987 году физики сумели создать новую керамику с критической температурой 98 К, превышающей температуру жидкого азота (77 К). Явление перехода веществ в сверхпроводящее состояние при температурах, превышающих температуру кипения жидкого азота, было названо высокотемпературной сверхпроводимостью (ВТСП). В 1988 году было создано керамическое соединение на основе элементов Tl–Ca–Ba–Cu–O с критической температурой 125 К [2]. Это послужило мощным толчком к проявлению интереса в этой области, а в изучении сверхпроводимости начался настоящий "бум". В среднем публиковалось около 15 статей в день. Однако до сих пор непонятен механизм сверхпроводимости. Важнейшая черта открытия ВТСП - то, что сверхпроводимость была обнаружена не у традиционных интерметаллидов, органических или полимерных структур, а у оксидной керамики, обычно проявляющей диэлектрические или полупроводниковые свойства. Это разрушило психологические барьеры и позволило в течение короткого времени создать новые, более совершенные поколения металлоксидных сверхпроводников почти одновременно в США, Японии, Китае и России. В настоящее время ведутся интенсивные работы по поиску новых веществ с еще более высокими значениями Tкр.

Ученые надеются получить вещество в сверхпроводящем состоянии при комнатной температуре (300-400 К). В соединениях какого типа может реализовываться такая сверхпроводимость? Будут ли это слоистые квазидвумерные системы, а может быть - что-то такое, о чем мы сейчас и не подозреваем? Когда это произойдет? - тоже неизвестно. По словам Виталия Гинзбурга [3], "у нас имеется один естественный рубеж - 2011 год, то есть столетие со дня открытия сверхпроводимости".

Но может быть, ключ к решению разгадки лежит в иной плоскости? И свойства сверхпроводимости при положительных температурах вполне возможны и могут проявляться у каких-либо материалов? Очевидно, что для этого в нем должны быть выполнены специальные каналы для беспрепятственного «пролетания» электронов, которые могли бы играть роль волноводов для их волнового движения. Такие каналы могут быть образованы в металле с помощью, например, дислокационных плоскостей, равномерно распределенных по всей длине проводника, за счет его пластической деформации. Именно эта идея была положена в основу феномена проявления свойств сверхпроводимости в металлах при положительных температурах и разработанного на основе этого явления нового метода перевода металла в состояние сверхпроводимости при положительных температурах [4-8].


^ Описание феномена сверхпроводимости в металлах при положительных температурах. Для перевода металлического проводника в состояние сверхпроводимости должны быть выполнены четыре основных условия:

- в проводнике должна быть создана необходимая плотность дислокаций (от 1·108 см-2 и выше);

- выполнено их регулярное распределение по длине проводника;

- обеспечена высокая скорость нарастания плотности тока (от 102 А/см2с и выше);

- достигнута необходимая температура для перехода в состояние СП.

Плотность дислокаций представляет собой общую длину дислокационных линий в единице объема материала [9]. Эту величину называют скалярной плотностью дислокаций, поскольку в этом случае подсчет плотности дислокаций ведется без учета знака дислокаций. Между тем дислокации могут быть разного знака. Необходимой плотности дислокаций можно достичь различными методами деформации: изгибом, прокатом, обжатием и растяжением. Однако, перечисленными методами деформации металла трудно обеспечить регулярное распределение дислокаций по длине проводника. Обеспечить одновременно высокую плотность дислокаций и их регулярное распределение по длине проводника можно путем навивки проволоки в моноспираль или путем скручивания двух проволок в спираль. В этом случае внутренний диаметр каждой моноспирали стремится к нулю, а внешний диаметр моноспирали стремится к двум диаметрам проволоки, в результате чего достигается максимальная плотность упаковки, т.е. чем больше угол направления кручения проводника к продольной оси, тем выше плотность дислокаций.

Из вольфрамовой проволоки диаметром 0,05 мм изготавливали проводник путем навивки его в моноспираль. Проводник помещали в камеру с инертным газом и подключали к токоподводам. Вольтамперную характеристику записывали на двухкоординатном самописце. На проводник подавали ток, возрастающий во времени, но в режиме стабилизации, т.е. любая задаваемая величина тока оставалась неизменной, независимо от изменения сопротивления проводника в любой момент времени. Изменение тока во времени задавали регулятором стабилизации тока. Необходимый нагрев до температуры перехода в состояние СП осуществлялся за счет пропускания тока. Вели нарастание плотности тока до остановки роста напряжения в проводнике. Момент остановки роста напряжения является началом перехода проводника в состояние сверхпроводимости. Дальнейшее незначительное увеличение плотности тока приводило к снижению напряжения до нуля, что указывало на резкое снижение сопротивления проводника и его переход в состояние сверхпроводимости.


^ Материалы и методы исследований. Для исследований брали образцы различных проволок из вольфрама, меди, тантала, алюминия и других металлов, которые подвергали пластической деформации кручением до достижения плотности дислокаций не ниже 108 – 1012 см-2.

Для подготовки образцов проводников осуществляли навивку проволоки диаметром d в моноспираль с шагом h на кордовую нить диаметром d0. Степень пластической деформации определялась как

ε = ±d/Dcosα,

где D=d+d0 – диаметр спирали, α – угол наклона витков спирали. Знак + обозначает внешнюю сторону спирали. Шаг спирали задавался исходя из: h = πDtgα.

Из этого следует, что ε→1, когда d››d0, а hd. Для получения требуемой степени пластической деформации изменяли h и d0.

Спиральные проводники фиксировались в вакуумной камере на изолированных кронштейнах. Концы соединялись с токоподводами. Воздух откачивали из камеры и заполняли ее инертным газом (гелием, аргоном или азотом) от низкого до атмосферного давления.

Измерение проводимости проводников проводили на лабораторной установке (рис.1), включающей емкостной накопитель 1 (100-800 мкф., заряжаемый до 300-800 В), воздушный разрядник или быстродействующий тиристор 2, блок высокого напряжения 3, исследуемый проводник 4, измерительный шунт 5, осциллограф 6, скоростной двухкоординатный самописец 7, либо компьютер для фиксации скоростной вольтамперной характеристики.

На рис.1 показана схема импульсного перевода проводника в состояние сверхпроводимости. Для сравнения проводимости проводников, один из которых выполнен в виде цилиндрической моноспирали, намотанной из вольфрамовой проволоки, диаметром 0,05 мм и длиной 100 мм, а другой – обычный медный проводник диаметром 4 мм и длиной 50 мм, их поочередно помещали в установку и подключали к токоподводящим зажимам. Источником тока 3 заряжали конденсатор 1 до фиксированного напряжения, например, до 600 В, затем источник тока отключали и включали разрядник 2, подававший ток на моноспираль 4, которая нагревалась в импульсном режиме за время - 1,5∙10-3 с и переходила в состояние сверхпроводимости. Следует обратить внимание, что с момента включения разрядника ток в цепи «конденсатор-разрядник-моноспираль» повышался не сразу с момента включения разрядника, а только после прогрева моноспирали до температуры перехода в состояние СП, что происходило через 1,5 милисекунды с момента включения разрядника.

Далее, вместо моноспирали, цепь замыкали коротким толстым медным проводником диаметром 4 мм. При разрядке конденсатора той же емкости, что и в первом случае и с тем же зарядным напряжением, ток в цепи «конденсатор-разрядник-медный проводник» нарастал сразу за 0,1 милисекунды до такого же значения, т. е. 600 А, как и при включении моноспирали. Конечная величина тока ограничивалась общей индуктивностью источника питания.

Проводили эксперименты также по следующей методике. На проводник подавали постоянный ток, возрастающий во времени, но в режиме стабилизации, т.е. величина тока оставалась неизменной независимо от нагрузки в любой момент времени, а разность потенциалов на нагрузке зависела только от сопротивления проводника. Изменение тока производилось регулятором стабилизации тока по линейной зависимости. Скорость нарастания плотности тока задавали в диапазоне от 100 до 2∙105 А/см2∙с. При этом повышали плотность тока в проводнике до полного падения напряжения в нем, контролируемого по графику ВАХ, что свидетельствовало о переходе проводника в состояние сверхпроводимости. При обратном снижении тока в режиме стабилизации образуется петля гистерезиса. Данный эксперимент проводился в автоматическом режиме ввода и вывода в состояние СП длительностью до 100 часов непрерывной работы.


^ Результаты исследований. Для импульсного режима характерные зависимости изменения тока во времени для моноспирального вольфрамового проводника диаметром 0,05 мм и медного проводника диаметром 4 мм показаны на рис. 2.

Наиболее типичная зависимость изменения напряжения проводника из деформированной вольфрамовой проволоки от тока в режиме стабилизации показана на рис.3. Пластическую деформацию вольфрамового проводника проводили при комнатной температуре. Кривая ABCDEF представляется составленной из трех частей отличающихся удельным электрическим сопротивлением. Отклонение U от ее постоянного значения на участке АВ связано с нагревом проволоки и увеличением его сопротивления. Пунктирная кривая ВС соответствует зависимости электрического сопротивления от температуры для не деформированного проводника или отжигу после деформации при температуре Т›0,5Тпл в течение времени ›103 с. Здесь Тпл – температура плавления.

Когда плотность тока увеличивается для деформированного проводника на участке АВ со средней скоростью vj = dj/dt ›2∙105 A/cm2s, напряжение U отклоняется от кривой АС в точке В. Характерное значение напряженности внешнего электрического поля Ес составляет величину порядка 102 В/м. На участке кривой BD на рис.3 видно, что напряжение на проводнике уменьшается. Наблюдаются также характерные колебания зависимости U(I). Длина участка BD зависит от типа металла и степени деформации. Кривая BF построена для скорости изменения плотности тока, равной 5∙105 А/см2с. На участке DE уменьшение сопротивления еще более заметно, чем на предыдущем. В точке F удельное сопротивление деформированного проводника приблизительно в 22 раза меньше чем в точке А. При дальнейшем повышении плотности тока, сопротивление ρ стремится к нулю. Это соответствует уменьшению сопротивления в 30-100 раз. При этом с повышением плотности тока имеет место хорошо проявляющийся гистерезис.

Плотность дислокаций в цилиндрической моноспирали, полученной пластической деформацией, рассчитывали по формуле:

(1)

где n - плотность дислокаций, b -вектор Бюргерса, r - средний радиус моноспирали, h - диаметр проводника, β-угол между линией средней окружности моноспирали и плоскостью скольжения дислокаций, k - отношение диаметра проводника к внутреннему диаметру моноспирали.

Проверку плотности дислокаций проводили на электронном микроскопе, затем определяли температуру перехода проводника в состояние сверхпроводимости. Определение критической температуры перехода в СП и условий для этого перехода проводили по формуле:

(2)


где tкр - критическая температура перехода в СП; tпл - температура плавления проводника; nкр - критическая плотность дислокации для перехода в СП; n - плотность дислокаций в проводнике; jкр - критическая плотность тока для перехода в СП; jc - скорость роста плотности тока в проводнике.

Данная формула (2) вместе с приведенной выше (1) позволяет рассчитать все параметры, необходимые для перевода металлического проводника в состояние сверхпроводимости. Например, необходима температура перехода 1250 оС. По формуле (1) рассчитываем необходимую плотность дислокаций для вольфрамовой проволоки и определяем, что она должна составлять 5,7·1010 см-2. Рассчитанные диаметры цилиндрических моноспиралей для проволок из вольфрама двух диаметров 0,025 и 0,050 мм должны составлять соответственно 0,081 и 0,130 мм.

Пластической деформацией можно достичь плотности дислокаций не выше 1·1014 см-2. При этой плотности дислокаций температура перехода проводника в состояние сверхпроводимости достаточно высока. На Рис.4 в трехмерном пространстве изображена зависимость температуры перехода в состояние сверхпроводимости от плотности дислокаций и скорости нарастания плотности тока. При плотности дислокаций 1·108 см-2 и скорости нарастания плотности тока 2·105 А·см-2·с-1 температура перехода в состояние сверхпроводимости для вольфрама составляет 3410 оС. Величина плотности дислокаций 5·1015 см-2 - экспериментально полученный результат, достигаемый при термической обработке металлического проводника. При этой плотности дислокаций переход проводника в состояние сверхпроводимости происходит при комнатной температуре (20 0C). Величину плотности дислокаций 1·1015 см-2 механическим способом (пластической деформацией) достичь невозможно из-за насыщения, однако, благодаря термической обработке, в экспериментах при скорости нарастания плотности тока 1·104 А·см-2·с-1 нам удавалось многократно получать переход в состояние сверхпроводимости при 10-20 оС. Стабильно полученные результаты соответствуют параметрам на трехмерной диаграмме (Рис.4 ) и составляют значения, указанные в табл.1. Таким образом, с помощью термообработки проводника удается увеличить плотность дислокаций до значений порядка 1-2·1015, что позволяет снизить температуру перехода в состояние сверхпроводимости.

Аналогичные исследования были проведены с проволоками из других металлов, таких как медь, никель, алюминий, тантал, молибден, которые показали, что термической обработкой возможно достижение такой плотности дислокаций, при которой снижается порог перехода металла в состояние сверхпроводимости (см. табл.2).

Обсуждение. Объяснение описываемого феномена в рамках классической электронной теории, а также известной БКШ-теории сверхпроводимости не представляется возможным, в силу чего можно предполагать о некотором ином типе сверхпроводимости в металлах. Авторы предлагают рассматривать данный феномен с позиций дислокационного строения металлов. Экспериментально было установлено, что при приближении плотности дислокаций к 1·1015 см-2 и предельной скорости нарастания плотности тока (2·105 А·см-2·с-1), можно обеспечить переход в состояние сверхпроводимости при -50 оС. Повышение плотности дислокации от 1·108 до 1·1015 см-2 удалось получить путем термической обработки проводника, деформированного предварительно механическим способом. Образцы специально деформируются путем скручивания в моноспираль с внутренним радиусом изгиба, стремящимся к нулю. При этом происходит геометрическое перераспределение атомов на внутренней (малая кривизна) и наружной (большая кривизна) поверхностях, которое формирует своеобразные стенки из дислокаций или так называемые дислокационные плоскости. Подобные стенки из бесконечных краевых параллельных дислокаций с одинаковыми векторами Бюргерса описываются Штремелем М.А. [9] и Фриделем Ж [10].

При термообработке (полигонизации), когда в результате скольжения и переползания дислокаций, происходит процесс деления зерен на фрагменты, полигоны и группировки дислокаций одинаковых знаков в стенки (см. рис.5). Образованные плоские дислокационные стенки малоподвижны и весьма устойчивы. При дальнейшем нагреве они сохраняются почти до температур плавления металлов. После формирования субзеренной структуры рекристаллизации не происходит.

При пропускании электрического тока через металлический проводник, скрученный в моноспираль с большим радиусом кривизны, со скоростью нарастания плотности тока более 100 А/см2·с, прохождение электронов по металлу происходит между стенками из дислокаций, как волны де Бройля по волноводам.

Известно, что любая движущаяся частица (например, электрон) ведёт себя не только как локализованный в пространстве перемещающийся объект - корпускула, но и как волна [11,12], причём длина этой волны определяется формулой = h, где = 6.6.10-34 Дж.сек – постоянная Планка, а р – импульс частицы. Эта волна и получила название волны де Бройля. Подобное происходит, например, в СВЧ-технике с электромагнитными волнами и квантами света по оптоволоконному кабелю.

При нагреве деформированного скручиванием проводника свыше 3000 оС, в нем образуются монокристаллические блоки, расположенные вдоль проводника, длиной от 0,5 до 2 диаметров проволоки с высокой плотностью дислокаций, что можно наблюдать в микроскопе. Проволока при этом становится не круглой и представляет собой упаковку из блоков, расположенных вдоль проволоки. Эти блоки имеют различную форму в зависимости от степени кривизны и вследствие высокой плотности дислокаций. При наматывании провода в виде цилиндрической моноспирали с определенными параметрами образуется множество дислокационных плоскостей, образующих собой резонаторы для перемещения электрона как частицы – волны де Бройля [13], которая распространяется с тепловой скоростью электрона.

Принцип поведения электронов в «каналах», образованных дислокационными плоскостями в металле, деформированном указанным способом, аналогичен поведению электромагнитных квантов света в оптоволоконном кабеле для передачи на большие расстояния без потерь светового потока.

Течение электронов в металлическом проводнике в состоянии сверхпроводимости как волны де Бройля, в особенности при переходе их из сверхпроводника в медный провод, отводящий ток, сопровождается плавлением участка провода длиной 10-30 см, несмотря на то, что плотность проходящего тока в десятки раз ниже той плотности тока, которая может разогреть данный проводник до температуры 50-150 0С. Также следует обратить внимание, что сам металлический сверхпроводник имеет температуру окружающей среды, т.е. порядка 25-300С. Интересны факты перехода электронного тока из металлического сверхпроводника в медный проводник, имеющий изгибы. При этом плавление медного проводника происходит по большему радиусу изгиба, а меньший радиус остается без изменений, что также подтверждает неклассический вариант движения электронов, т.е. недрейфовый ток классического варианта.

Если на металлический сверхпроводник подается постоянный ток, то происходит нагрев подводящего медного проводника с положительным потенциалом, в то время как подводящий провод с отрицательным потенциалом не разогревается.

Если спираль нагревать пропусканием электрического тока в инертной среде и достичь температуры нагрева 2500 оС, то спираль переходит в состояние сверхпроводимости, при этом температура самой спирали снижается до комнатной температуры и она находится в состоянии СП до тех пор, пока по ней протекает электрический ток. Для сокращения времени достижения перехода проводника в состояние СП при комнатной температуре необходимо использовать внешний источник нагрева до 3000 оС. На тысячах образцах экспериментально была проверена стабильность перехода проводника в состояние СП в зависимости от температуры нагрева, скорости нарастания плотности тока и плотности дислокаций.

Для отработки методов термического отжига с целью увеличения плотности дислокаций за счет процесса полигонизации и для контроля над плотностью дислокаций проводили измерение температуры перехода в СП по вольтамперной характеристике, при этом для каждого конкретного образца температура перехода сохраняется при многократном (до 10000 циклов) выводе проводника в состояние СП и обратно с точностью 0,01%.

Методы термической обработки могут быть различными: нагрев электрическим током, ионным током, электронным током, электронной пушкой, плазменными разрядами, плазмотроном, лазерным лучом и т.д., лишь бы он обеспечивал решение главной задачи - достижение плотности дислокаций, необходимой для перевода проводника в состояние сверхпроводимости. В металлических сверхпроводниках данного типа экспериментально были получены плотности тока от 1 до 2 миллиардов А/см2, что превосходит в 20000 раз плотность тока, достигаемую в низкотемпературных металлических проводниках.


Заключение. Рассмотренная в статье новая модель достижения сверхпроводимости в металлах при положительных температурах основывается на создании в металлическом проводнике каналов для беспрепятственного прохождения электронов, образование которых в виде равномерно распределенных по длине дислокационных стенок обеспечивается пластической деформацией кручением и последующей термической обработкой. Предлагаемый новый способ перевода металлического проводника в состояние сверхпроводимости при положительных температурах, в частности, при температурах близких к комнатной, открывает принципиально новые возможности и перспективы использования этих материалов в различных областях промышленного производства и энергетики.


Литература.

  1. Букель В. Сверхпроводимость. М.: Мир, 1975.-364 с.

  2. Stefan J. Turneaure and Thomas R. Lemberger, John M. Graybeal. Dynamic impedance of two-dimensional superconducting films near the superconducting transition //Phys. Rev. B 63, 174505 (2001).

  3. Гинзбург В.Л., Киржниц Д.A. Проблемы высокотемпературной сверхпроводимости. М.: Наука, 1977. – 400 с.

  4. Патент 2233349 RU, MKI 7 C 22 F 1/00, H 01 B 12/00/ Способ перевода металлического проводника в состояние сверхпроводимости/ Г.A. Марков - № 2002121886/02; Заявл. 08.08.2002, Опубл. 27.07.04, БИ № 21.

  5. Патент 1826744 RU, MKI 5 G 01 R 19/30. C 22 F 1/00 Способ создания аномальной проводимости / Г.А. Марков - № 4611562; Заявл. 09.12.88

  6. Патент 2061984 RU, MKI 6 C 22 F 1/00. Способ создания аномальной проводимости./Г.А Марков - №5051598/02;Заявл. 10.07.92, Опубл. 27.05.96, БИ №15,

  7. Г.А. Марков, Н.В. Мельникова, Ю.А. Хон. Об аномально высокой проводимости деформированных металлов при повышенных температурах. //Журнал технической физики. Т.22, №16, 1996. С. 65-72.

  8. Yu.A. Khon, G.A. Markov, N.V. Melnikova. Anomaly high electrical conductivity of deformed metals for high electric current density //Proceedings of International Conference of Role of Mechanics for Development of Science and Technology. Tsinghua University Press. Beijing China 2000, V. 2. P. 639-640.

9. Штремель М.А. Прочность сплавов. Ч 1. Дефекты решетки. Справочное руководство для высшей школы. М.: Металлургия, 1982, 280 с.

    1. Фридель Ж. Дислокации. Пер. с англ. A.Л.Рутбурд. М.: Мир, 1967.

11.Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике, М.: Наука, 1996. 349 с.

12.Дмитриева В.Ф. Физика, М.: Наука, 2001, 357 с.

13.Луи де Бройль. Введение в волновую механику. Пер. с франц. Изд.2, М.: Мир, 2005, 232 с.

Подрисуночные подписи:


Рис.1. Схема лабораторной установки: 1 –емкостной накопитель; 2 – воздушный разрядник или быстродействующий тиристор; 3 – блок высокого напряжения; 4 – испытуемый проводник; 5 – измерительный шунт; 6 – осциллограф; 7 – двухкоординатный самописец.


Рис.2. Характерные зависимости изменения тока во времени в импульсном режиме для: а – вольфрамовой моноспирали; б – медного провода.


Рис.3. Вольт-амперная характеристика вольфрамового проводника в режиме стабилизации.


Рис.4. Трехмерная диаграмма зависимости плотности дислокаций, скорости нарастания плотности тока и температуры перехода проводника в состояние сверхпроводимости.

Рис. 5. Схема полигонизации: а – хаотическое расположение краевых дислокаций в деформированном металле; б – дислокационные стенки после полигонизации.

Таблица 1

^ Взаимосвязь плотности дислокаций, скорости нарастания плотности тока и температуры перехода в состояние сверхпроводимости для вольфрама

^ Плотность дислокаций, см-2

Скорость нарастания плотности тока, А∙см-2∙с-1

Температура перехода в состояние СП, оС

1∙1014

1∙104

500

1∙1014

2∙105

20

1∙1015

1∙104

100

1∙1015

2∙105

-50


Таблица 2

^ Взаимосвязь плотности дислокаций, скорости нарастания плотности тока и температуры перехода в состояние сверхпроводимости для некоторых металлов


Материал

Cu

Ni

Al

Тa

Mo

Плотность дислокаций, см-2

1∙1011

9∙1010

1∙1013

3∙1011

9∙1010

Скорость нарастания плотности тока, А∙см-2∙с-1

1∙105

2∙105

1∙105

6∙104

1∙105

Температура перехода в СП, оС

900

1300

600

2000

2000



Рис. 5


Раздел II. Россия в системе глобальных социальных координат




Скачать 3,61 Mb.
оставить комментарий
страница5/18
Дата29.09.2011
Размер3,61 Mb.
ТипДокументы, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

страницы: 1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   18
хорошо
  1
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх