Все выпуски

Данная работа лежит в области неравновесной статистической механики. Она посвящена изучению пространственно-временного поведения изолированных многочастичных систем. Сформулирована феноменологическая модель, сочетающая законы классической динамики с присутствием случайных переходов между различными микроскопическими состояниями системы. Все процессы, происходящие с такой системой, имеют место на замкнутой гиперповерхности в фазовом пространстве координат-импульсов. Эта поверхность соответствует фиксированному значению энергии системы; она обозначена как ${\mathrm Surf}_{\mathrm E}^{}$. Кинетическое уравнение для плотности вероятностей распределения системы в фазовом пространстве $f(\vec{x},\,t)$ приведено к форме, удобной для нахождения решений этого уравнения ($\vec{x}$ — совокупность фазовых переменных). Дано доказательство того, что экстремум энтропии системы, который находится методом вариационного исчисления, является максимумом. Вблизи своего максимума энтропия пропорциональна интегралу от квадрата вариации $f(\vec{x},\,t)$ по всему объему гиперповерхности ${\mathrm Surf}_{\mathrm E}^{}$. Найдена зависимость энтропии от вариации плотности распределения $f(\vec{x},\,t)$, когда эта вариация имеет постоянные значения в двух подобластях гиперповерхности, причем эти значения могут быть весьма велики. Сформулировано кинетическое уравнение для $D(\vec{x},\,t)$ — отклонения плотности распределения частиц $f(\vec{x},\,t)$ от ее равновесного значения. Найдены аналитические решения этого уравнения для нескольких вариантов зависимости скорости случайных переходов от расстояния между начальным и конечным микроскопическими состояниями перехода. Если эта скорость не зависит от вышеназванного расстояния, то исходная форма $D(\vec{x},\,t)$ сохраняется в течение всего процесса экспоненциального затухания величины $D(\vec{x},\,t)$. Рассмотрен переходный процесс в более общем случае, когда случайные переходы возможны только в ограниченном диапазоне расстояний между микросостояниями. Тогда величина $D(\vec{x},\,t)$ равна сумме пространственных мод, каждая из которых при стремлении плотности распределения к равновесному значению затухает со своей скоростью. Чем выше порядок моды, тем быстрее она затухает. Поэтому в данном случае переходный процесс приводит не только к общему уменьшению $D(\vec{x},\,t)$, но и к сглаживанию первоначальной формы $D(\vec{x},\,t)$. Найдена общая зависимость разности между равновесным и неравновесным значениями энтропии от величины $D(\vec{x},\,t)$.

This work lies in the field of nonequilibrium statistical mechanics. It investigates the spatiotemporal behavior of isolated many-particle systems. A phenomenological model has been formulated that combines the laws of classical dynamics and random transitions between various microscopic states of the system. All processes occurring with such a system take place on a closed hypersurface in a coordinate-momentum phase space. This surface corresponds to a fixed value of energy of the system; it is designated as ${\mathrm Surf}_{\mathrm E}^{}$. The kinetic equation for the probability density distribution of a system in a phase space,~$f(\vec{x},\,t)$, is reduced to a form convenient for finding solutions to this equation ($\vec{x}$ is a set of phase variables). Proof is given that the extremum of the entropy of the system, which is found by the calculus of variations, is a maximum. Near its maximum, entropy is proportional to the integral of the squared variation of $f(\vec{x},\,t)$ over the entire volume of the hypersurface~${\mathrm Surf}_{\mathrm E}^{}$. The dependence of entropy on density variation distribution $f(\vec{x},\,t)$ has been found, when this variation has constant values in two subregions of the hypersurface; these values can be rather large. A kinetic equation has been formulated for the $D(\vec{x},\,t)$, deviation of particle distribution density $f(\vec{x},\,t)$ from its equilibrium value. Analytical solutions of this equation have been found for several variants of the dependence of the rate of random transitions on the distance between the initial and final microscopic states of the transition. If this rate does not depend on the above-mentioned distance, the initial shape of $D(\vec{x},\,t)$ is maintained throughout the entire process of the exponential decay of the quantity $D(\vec{x},\,t)$. The transition process is considered in a more general case, when random transitions are possible only in a limited range of distances between microstates. Then the value $D(\vec{x},\,t)$ is equal to the sum of spatial modes, each of which, as the distribution density tends to the equilibrium, decays at its own rate. The higher the order of the mode, the faster it decays. Therefore, in this case, the transition process leads not only to a general decrease of $D(\vec{x},\,t)$, but also to a smoothing of the $D(\vec{x},\,t)$ original shape. The general dependence of the difference between the equilibrium and nonequilibrium entropy values on $D(\vec{x},\,t)$ has been found.

Рассматривается изолированная система, обладающая дискретным множеством микроскопических состояний, которая совершает спонтанные случайные переходы между микросостояниями. Сформулированы кинетические уравнения для совокупности вероятностей пребывания системы в различных микросостояниях. Рассмотрено общее безразмерное выражение для энтропии такой системы, зависящее от распределения этих вероятностей. Поставлены две задачи: 1) изучить влияние возможной неравновероятности микроскопических состояний системы, в том числе в состоянии ее общего равновесия, на величину ее энтропии; 2) изучить кинетику изменения энтропии в неравновесном состоянии системы. Для скоростей переходов между микросостояниями принята кинетика первого порядка. Влияние возможной неравновероятности микросостояний системы рассмотрено в двух вариантах: а) микросостояния образуют две подгруппы с вероятностями, одинаковыми внутри каждой подгруппы, но отличающимися по величине между подгруппами; б) вероятности микросостояний произвольно варьируют вблизи точки, где они равны одной и той же величине. Показано, что, когда общее число микросостояний фиксировано, отклонения энтропии от значения, соответствующего равновероятному распределению по микросостояниям, крайне малы, что дает строгое обоснование известной гипотезы о равновероятности микросостояний при термодинамическом равновесии. С другой стороны, на нескольких характерных примерах показано, что структура случайных переходов между микросостояниями оказывает большое влияние на скорость и характер установления внутреннего равновесия системы, на временную зависимость энтропии и на выражение для скорости продукции энтропии. При определенных схемах этих переходов возможно наличие быстрых и медленных компонент в переходных процессах и существование этих процессов в виде затухающих колебаний. Условием универсальности и устойчивости равновесного распределения является то, что для любой пары микросостояний должны существовать последовательность переходов из одного в другое и, соответственно, отсутствие состояний-«ловушек».

An isolated system, which possesses a discrete set of microscopic states, is considered. The system performs spontaneous random transitions between the microstates. Kinetic equations for the probabilities of the system staying in various microstates are formulated. A general dimensionless expression for entropy of such a system, which depends on the probability distribution, is considered. Two problems are stated: 1) to study the effect of possible unequal probabilities of different microstates, in particular, when the system is in its internal equilibrium, on the system entropy value, and 2) to study the kinetics of microstate probability distribution and entropy evolution of the system in nonequilibrium states. The kinetics for the rates of transitions between the microstates is assumed to be first-order. Two variants of the effects of possible nonequiprobability of the microstates are considered: i) the microstates form two subgroups the probabilities of which are similar within each subgroup but differ between the subgroups, and ii) the microstate probabilities vary arbitrarily around the point at which they are all equal. It is found that, under a fixed total number of microstates, the deviations of entropy from the value corresponding to the equiprobable microstate distribution are extremely small. The latter is a rigorous substantiation of the known hypothesis about the equiprobability of microstates under the thermodynamic equilibrium. On the other hand, based on several characteristic examples, it is shown that the structure of random transitions between the microstates exerts a considerable effect on the rate and mode of the establishment of the system internal equilibrium, on entropy time dependence and expression of the entropy production rate. Under definite schemes of these transitions, there are possibilities of fast and slow components in the transients and of the existence of transients in the form of damped oscillations. The condition of universality and stability of equilibrium microstate distribution is that for any pair of microstates, a sequence of transitions should exist, which provides the passage from one microstate to next, and, consequently, any microstate traps should be absent.

В результате всесторонних теоретических исследований в работе создана достаточно подробная физико-математическая модель возмущенной области, образованной в нижнем D-слое ионосферы под действием направленного потока радиоизлучения от наземного стенда мегагерцового диапазона частот. Модель основана на рассмотрении широкого круга кинетических процессов с учетом их неравновесности и в двухтемпературном приближении для описания трансформации энергии радиолуча, поглощаемой электронами. В работе взяты исходные данные по радиоизлучению, достигнутые к настоящему времени на наиболее мощных радионагревных стендах. Кратко описаны их основные характеристики и принципы действия, а также особенности высотного распределения поглощаемой электромагнитной энергии радиолуча. Показана определяющая роль D-слоя ионосферы в поглощении энергии радиолуча. На основе теоретического анализа получены аналитические выражения для вклада различных неупругих процессов в распределение поглощаемой энергии, позволяющая достаточно полно и корректно описывать вклад каждого из учитываемых процессов. В работе учитывается более 60 компонент, для описания изменения концентраций использовалось около 160 реакций. Все реакции разбиты на пять групп в соответствии с их физическим содержанием: ионизационно-химический блок, блок возбуждения метастабильных электронных состояний, кластерный блок, блок возбуждения колебательных состояний и блок примесей. Блоки взаимосвязаны между собой и могут рассчитываться как совместно, так и раздельно. Показано, что в дневных и ночных условиях поведение параметров возмущенной области существенно различно при одной и той же плотности потока радиоизлучения: в дневных условиях максимум электронной концентрации и температуры приходиться на высоте ~ 45–55 км; в ночных — на высоты ~ 80 км, при этом температура тяжелых частиц быстро возрастает, что приводит к возникновению газодинамического течения. Поэтому был разработан специальный численный алгоритм для совместного решения двух основных задач рассматриваемой проблемы: кинетической и газодинамической. На основе высотного и временного поведения концентраций и температур алгоритм позволяет определить ионизацию и свечение ионосферы в видимом и ИК-диапазоне спектра, что дает возможность оценить влияние возмущенной области на радиотехнические и оптико-электронные средства, используемые в космической технике.

The paper presents a physico-mathematical model of the perturbed region formed in the lower D-layer of the ionosphere under the action of directed radio emission flux from a terrestrial stand of the megahertz frequency range, obtained as a result of comprehensive theoretical studies. The model is based on the consideration of a wide range of kinetic processes taking into account their nonequilibrium and in the two-temperature approximation for describing the transformation of the radio beam energy absorbed by electrons. The initial data on radio emission achieved by the most powerful radio-heating stands are taken in the paper. Their basic characteristics and principles of functioning, and features of the altitude distribution of the absorbed electromagnetic energy of the radio beam are briefly described. The paper presents the decisive role of the D-layer of the ionosphere in the absorption of the energy of the radio beam. On the basis of theoretical analysis, analytical expressions are obtained for the contribution of various inelastic processes to the distribution of the absorbed energy, which makes it possible to correctly describe the contribution of each of the processes considered. The work considers more than 60 components. The change of the component concentration describe about 160 reactions. All the reactions are divided into five groups according to their physical content: ionization-chemical block, excitation block of metastable electronic states, cluster block, excitation block of vibrational states and block of impurities. Blocks are interrelated and can be calculated both jointly and separately. The paper presents the behavior of the parameters of the perturbed region in daytime and nighttime conditions is significantly different at the same radio flux density: under day conditions, the maximum electron concentration and temperature are at an altitude of ~45–55 km; in night ~80 km, with the temperature of heavy particles rapidly increasing, which leads to the occurrence of a gas-dynamic flow. Therefore, a special numerical algorithm are developed to solve two basic problems: kinetic and gas dynamic. Based on the altitude and temporal behavior of concentrations and temperatures, the algorithm makes it possible to determine the ionization and emission of the ionosphere in the visible and infrared spectral range, which makes it possible to evaluate the influence of the perturbed region on radio engineering and optoelectronic devices used in space technology.

Осуществлено численное моделирование с применением алгоритма тепловой бани неравновесного критического поведения в трехмерной как однородной, так и структурно неупорядоченной модели Изинга. На основе анализа двухвременной зависимости автокорреляционных функций и динамической восприимчивости для систем со спиновыми концентрациями p = 1,0, p = 0,8 и 0,6 были выявлены эффекты старения c аномальным замедлением релаксации системы с ростом времени ожидания. Доказано нарушение флуктуационно-диссипативной теоремы и получены значения универсального предельного флуктуационно-диссипативного отношения для рассматриваемых систем. Показано, что увеличение концентрации дефектов структуры приводит к усилению эффектов старения.

Investigation of influence of non-equilibrium initial states and structural disorder on characteristics of anomalous slow non-equilibrium critical behavior of three-dimensional Ising model is carried out. The unique ageing properties and violations of the equilibrium fluctuation-dissipation theorem are observed for considered pure and disordered systems which were prepared in high-temperature initial state and then quenched in their critical points. The heat-bath algorithm description of ageing properties in non-equilibrium critical behavior of three-dimensional Ising model with spin concentrations p = 1.0, p = 0.8, and 0.6 is realized. On the base of analysis of such two-time quantities as autocorrelation function and dynamical susceptibility were demonstrated the ageing effects and were calculated asymptotic values of universal fluctuation-dissipation ratio in these systems. It was shown that the presence of defects leads to aging gain.

Биологическая структура рассматривается как открытая неравновесная система, свойства которой могут быть описаны на основе кинетических уравнений. Ставятся новые задачи с неравновесными граничными условиями на границе, причем неравновесное состояние (распределение) преобразуется постепенно в равновесное состояние вниз по течению. Область пространственной неоднородности имеет масштаб, зависящий от скорости переноса вещества в открытой системе и характерного времени метаболизма. В предлагаемом приближении внутренняя энергия движения молекул много меньше энергии поступательного движения; в других терминах: кинетическая энергия средней скорости крови существенно выше, чем энергия хаотического движения частиц в крови. Задача о релаксации в пространстве моделирует живую систему, поскольку сопоставляет области термодинамической неравновесности и неоднородности. Поток энтропии в изучаемой системе уменьшается вниз по потоку, что соответствует общим идеям Э. Шрёдингера о том, что живая система «питается» негэнтропией. Вводится величина, определяющая сложность биосистемы, — это разность между величинами неравновесной кинетической энтропии и равновесной энтропией в каждой пространственной точке, затем проинтегрированная по всему пространству. Решения задач о пространственной релаксации позволяют высказать суждение об оценке размера биосистем в целом как областей неравновесности. Результаты сравниваются с эмпирическими данными, в частности для млекопитающих (размеры животных тем больше, чем меньше удельная энергия метаболизма). Что воспроизводится в предлагаемой кинетической модели, поскольку размеры неравновесной области больше в той системе, где меньше скорость реакции, или в терминах кинетического подхода – чем больше время релаксации характерного взаимодействия между молекулами. Подход применяется для обсуждения характеристик и отдельного органа живой системы, а именно зеленого листа. Рассматриваются проблемы старения как деградации открытой неравновесной системы. Аналогия связана со структурой: для замкнутой системы происходит стремление к равновесию структуры для одних и тех же молекул, в открытой системе происходит переход к равновесию частиц, которые меняются из-за метаболизма. Соответственно, выделяются два существенно различных масштаба времени, отношение которых является приблизительно постоянным для различных видов животных. В предположении существования двух этих временных шкал кинетическое уравнение расщепляется на два уравнения, описывающих метаболическую (стационарную) и «деградационную» (нестационарную) части процесса.

The biological structure is considered as an open nonequilibrium system which properties can be described on the basis of kinetic equations. New problems with nonequilibrium boundary conditions are introduced. The nonequilibrium distribution tends gradually to an equilibrium state. The region of spatial inhomogeneity has a scale depending on the rate of mass transfer in the open system and the characteristic time of metabolism. In the proposed approximation, the internal energy of the motion of molecules is much less than the energy of translational motion. Or in other terms we can state that the kinetic energy of the average blood velocity is substantially higher than the energy of chaotic motion of the same particles. We state that the relaxation problem models a living system. The flow of entropy to the system decreases in downstream, this corresponds to Shrödinger’s general ideas that the living system “feeds on” negentropy. We introduce a quantity that determines the complexity of the biosystem, more precisely, this is the difference between the nonequilibrium kinetic entropy and the equilibrium entropy at each spatial point integrated over the entire spatial region. Solutions to the problems of spatial relaxation allow us to estimate the size of biosystems as regions of nonequilibrium. The results are compared with empirical data, in particular, for mammals we conclude that the larger the size of animals, the smaller the specific energy of metabolism. This feature is reproduced in our model since the span of the nonequilibrium region is larger in the system where the reaction rate is shorter, or in terms of the kinetic approach, the longer the relaxation time of the interaction between the molecules. The approach is also used for estimation of a part of a living system, namely a green leaf. The problems of aging as degradation of an open nonequilibrium system are considered. The analogy is related to the structure, namely, for a closed system, the equilibrium of the structure is attained for the same molecules while in the open system, a transition occurs to the equilibrium of different particles, which change due to metabolism. Two essentially different time scales are distinguished, the ratio of which is approximately constant for various animal species. Under the assumption of the existence of these two time scales the kinetic equation splits in two equations, describing the metabolic (stationary) and “degradative” (nonstationary) parts of the process.