КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. АЛЬ-ФАРАБИ
НИИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ
МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫЙ АКАДЕМИЧЕСКИЙ РЕСПУБЛИКАНСКИЙ
СЕМИНАР
“ОРГАНИЗАЦИИ И ЭВОЛЮЦИИ ПРИРОДНЫХ СТРУКТУР”
ИНСТИТУТ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК
НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ЖУРНАЛ
ПРОБЛЕМ ЭВОЛЮЦИИ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ
(Журнал ПЭОС)
Выпуск двенадцатый
Том 1
(Январь-Июнь)
Алматы
2010
УДК 550.36+577.31
ББК 72.4 (2) П 78
Свидетельство о государственной регистрации № 4213 Ж от 12.09.03
Подписной индекс “КАЗПОЧТ” № 75220
Редакционная коллегия:
Главный редактор :
Казахстан
Чл. Кор Академик
Дробжев В.И.
Зам.главного редактора:
Казахстан
Казахстан
Проф .д.ф-м.н
Проф .д.ф-м.н
Рамазанов Т.С.
Сомсиков В.М.
Ответственный секретарь:
Казахстан
Россия
к.ф.-м. н
к.б.н..
Фрязинова Т.С.
Садовская Г.М.
Члены редакционной коллегии:
Физика Казахстан
Проф., д.ф-м.н
Жанабаев З.Ж.
Казахстан
Проф., д.ф-м.н
Купчншин А.И..
Россия
Проф .д.ф-м.н
Орлов В.А
Математика Казахстан
Проф .д.ф-м.н.
Алексеева Л.А.
Россия
Проф .д.ф-м.н.
Горбань Н.А.
Россия
к.ф-м.н.
Еганова И.А.
Химия Казахстан
Академик НАН.
Ергожин Е.Е.
Россия
Проф., .д.х.н.
Быков В.И.
Биология, Медицина Казахстан
Проф., .д.м.н.
Байназарова А.А.
Казахстан
Проф., .д.б.н.
Васильева Г.С.
Казахстан
Проф., .д.б.н
Иващенко А.Т.
Казахстан
Проф., д.б.н.
Нуртазин С.Т.
Россия
Проф .д.б.н.
Печуркин Н.С.
Россия
Проф., .д.б.н.
Сомова Л.А.
Казахстан
Проф., .д.б.н
Тулеуханов С.Т.
Прикладные исследования Казахстан
Проф., .д.ф-м.н
Поляков А.И.
Казахстан
Проф., .д.г.н.
Еремин Ю.П.
Казахстан
Проф., д.ф-м.н
Жанабаев З.Ж.
Казахстан
к. ф.-м. н.
Лаврищев О.А.
Космос, Земля Казахстан
Проф., д.ф-м.н
Дробжев В.И.
Казахстан
д.ф-м.н.
Хачикян Г.Я.
В журнале публикуются статьи по междисциплинарным исследованиям в области
естественных наук. Основное направление связано с исследованием свойств открытых систем и
проблемами организации и эволюции природных структур.
Адрес офиса: Республика Казахстан г. Алматы
480012
, ул. Толе би, 96а НИИ
экспериментальной и теоретической физики (НИИ ЭТФ) для Фрязиновой Т.С.
E-mail:
nes@kaznet.kz tsfrjazinova@mail.ru
Печатается без редакторской и коррекционной правки
ISBN 9965-01-766-2
© КазНУ им. аль-Фараби
© Авторы статей
Журнал проблем эволюции открытых систем
3 Вып. 12, Т.1, 2010
ДЕТЕРМИНИРОВАННАЯ НЕОБРАТИМОСТЬ
В МЕХАНИКЕ СТРУКТУРИРОВАННЫХ ЧАСТИЦ
В.М. Сомсиков
Институт ионосферы, Алма-Ата, Казахстан
Кратко поясняется, каким образом можно расширить классическую меха-
нику в рамках ее законов, чтобы она была применимой для описания необратимых
процессов в природе.
Введение.
Для создания строгой теории эволюцио-
нирующего мира, что является основной це-
лью физики, необходимо понять природу ма-
терии и поля, их взаимосвязи, нарушения
пространственно-временных
симметрий,
фундаментальных сил, делимости материи
[1]. На пути к решению этих задач лежит из-
вестная со времен Л. Больцмана проблема
необратимости.
Принятое сегодня объяснение механизма
необратимости опирается на вероятностные
принципы [2]. Оно справедливо для экспо-
ненциально неустойчивых Гамильтоновых
систем при наличии сколь угодно малых слу-
чайных флуктуаций. Но использование в
объяснении необратимости вероятностных
условий и принципов не позволяет связать
его с детерминированной классической меха-
никой. Это существенно ограничивает воз-
можности изучения эволюционирующего
мира. Поэтому очень важно либо найти де-
терминированное объяснение необратимости,
либо доказать его отсутствие в рамках зако-
нов классической механики. Под детермини-
рованной необратимостью здесь понимается
такая необратимость, которая непосред-
ственно следует из детерминированных зако-
нов классической механики без использова-
ния вероятностных закономерностей.
В результате анализа систем твердых
дисков, а также систем из потенциально
взаимодействующих материальных точек
(МТ), нам удалось определить причину тех
ограничений классической механики, кото-
рые обуславливают обратимость уравнения
движения Ньютона, а значит, всей классиче-
ской механики. Этой причиной оказалась ис-
пользование в классической механике в каче-
стве базисных моделей твердых тел или МТ.
Именно ограничения применимости таких
моделей для описания динамики реальных
объектов делают классическую механику
практически неприемлемой для изучения не-
обратимых процессов. Отсюда следовало, что
для расширения классической механики, ко-
торое бы устраняло эти ограничения и по-
зволяло в ее рамках описывать необратимые
процессы, нужно было предложить другую
базисную модель вещества. Оказалось, что в
качестве такой модели можно взять систему,
состоящую из структурированных частиц
(СЧ). В свою очередь каждая из СЧ должна
состоять из потенциально взаимодействую-
щих МТ. Такие СЧ обладают внутренней
энергий, способной меняться при их движе-
нии. Оказалось, что динамика систем из СЧ
необратима.
Ниже поясним, каким образом мы при-
шли к заключению о природе ограниченно-
сти классической механики и почему для ее
устранения необходимо использовать в каче-
стве базисных моделей системы СЧ вместо
системы МТ. Объясним, как было получено
уравнение движения СЧ. Покажем, как из
этого уравнения следует детерминированная
необратимость динамики системы, состоя-
щие из СЧ.
Ограничение моделей классической меха-
ники
При изучении динамики системы твердых
дисков, состоящей из двух взаимодействую-
Журнал проблем эволюции открытых систем
Вып. 12, Т.1, 2010 4
щих равновесных подсистем, было найдено,
что установление в ней равновесия обуслов-
лено преобразованием энергии относитель-
ного движения каждой из подсистем в энер-
гию движения дисков относительно центра
масс соответствующей подсистемы [3]. Ока-
залось, что такой же механизм стремления
системы к равновесию имеет место и для по-
тенциально взаимодействующих МТ [4, 5]. В
результате поиска ответа на вопрос, как это
связать с обратимостью механики Ньютона,
было предложено следующее объяснение.
Известно, что второй закон Ньютона и
соответствующее ему уравнение движения
получены на основе моделей систем потен-
циально взаимодействующих МТ и твердых
тел [6]. Согласно второму закону Ньютона,
ускорение МТ пропорционально действую-
щей на МТ потенциальной силе. Это приво-
дит к закону сохранения энергии МТ. Со-
гласно закону сохранения энергии, кинетиче-
ская энергия движения МТ преобразуется в
их потенциальную энергию так, что сохраня-
ется их сумма. При этом потенциальные си-
лы, определяющие движение МТ, выступают
как параметры, определяющие преобра-
зование кинетической энергии в потенциаль-
ную энергию МТ. Такой процесс преобразо-
вания энергии обратим. Оказалось, что обра-
тимость уравнения Ньютона обусловлена
бесструктурностью МТ и, как следствие, от-
сутствием у нее внутренней энергии. Дейст-
вительно, из-за бесструктурности МТ, урав-
нение ее движения не включает в себя силы,
которые совершают работу по изменению
внутренней энергии МТ. Т.е. уравнение дви-
жения Ньютона не учитывает влияние внут-
ренней структуры реальных тел на их дина-
мику. Отсюда приходим к выводу о том, что
для описания динамики реальных тел с
учетом влияния на нее их внутренней
структуры, нужно перейти от механики
систем МТ к механике систем, состоящих
из структурированных тел, обладающих
внутренней энергией. Такой переход оправ-
дан также и тем, что на самом деле МТ и
твердые тела – идеализация, а все реальные
тела структурированные, т.е. в результате
перехода к механике СЧ мы приближаемся к
реальности, так как учитываем изменение
полной энергии тел во время их движения не
только за счет потенциальных сил, но также
и за счет работы диссипативных сил трения,
меняющих их внутреннюю энергию. Но для
осуществления такого перехода прежде всего
необходимо найти такую модель структури-
рованного тела, которая давала бы возмож-
ность, оставаясь в рамках классической ме-
ханики, определить уравнение движения тела
с учетом влияния на его динамику изменения
внутренней энергии. Оказалось, что такое
уравнение движения СЧ можно найти, если
представить СЧ в виде совокупности потен-
циально взаимодействующих МТ [5]. Пока-
жем, как можно найти такое уравнение.
Уравнение движения структурированных
частиц
При построении механики СЧ следует
исходить из условия справедливости уравне-
ния Ньютона для каждой МТ. Чтобы при
этом условии получить уравнение движения
СЧ, построенных из потенциально взаимо-
действующих МТ, нужно записать ее полную
энергию в лабораторной системе координат в
переменных координат и скорости центра
масс СЧ, а так же в переменных координат и
скоростей МТ относительно центра масс СЧ.
В этих переменных энергия СЧ разбивается
на два типа – энергию движения СЧ и ее
внутреннюю энергию. Тогда изменение энер-
гии движения СЧ определяется макропере-
менными - координатами и скоростями цен-
тра масс СЧ, а изменение внутренней энергии
определяется микропеременными - коорди-
натами и скоростями МТ относительно цен-
тра масс СЧ. Взяв производную по времени
от представленной таким образом энергии
СЧ, получим уравнение для преобразования
двух типов энергии СЧ вдоль траектории ее
Журнал проблем эволюции открытых систем
5 Вып. 12, Т.1, 2010
движения: энергии движения и внутренней
энергии. Из этого уравнения стандартным
путем можно найти уравнение движения СЧ,
которое определяет ускорение СЧ при дейст-
вии внешних сил. Полученное таким образом
уравнение движения СЧ будет учитывать из-
менение ее внутренней энергии при пере-
мещении в пространстве [4,5]. Это уравнение
можно представить в следующем виде:
V
F
V
M
env
, (1)
где
M
- масса СЧ,
V
-скорость СЧ,
env
F
-
потенциальная составляющая внешних сил,
действующих на СЧ,
- коэффициент, опре-
деляемый изменением внутренней энергии.
Перечислим основные выводы, которые
следуют из полученных таким образом урав-
нений, характеризующих динамику СЧ в по-
ле внешних сил.
Согласно уравнению движения СЧ изме-
нение кинетической энергии ее движения оп-
ределяется потенциальными и непотенци-
альными коллективными силами. Вид непо-
тенциальных сил вытекает из уравнения из-
менения энергии СЧ. Эти силы выражаются
через потенциальные силы, действующие
между МТ, как произведение скорости цен-
тра масс СЧ на отношение величины измене-
ния внутренней энергии к величине кинети-
ческой энергии СЧ. Непотенциальность сил,
меняющих внутреннюю энергию, следует из
того, что их нельзя выразить через градиент
какой-либо скалярной функции. Это обу-
словлено тем, что изменение внутренней
энергии СЧ складывается из работ по изме-
нению энергии движения каждой МТ.
Изменение внутренней энергии СЧ воз-
можно только при наличии градиента внеш-
них сил, когда характерный масштаб их не-
однородности соизмерим с характерным
масштабом СЧ. В этом случае силы, дейст-
вующие на разные МТ, различны, что и обес-
печивает изменение внутренней энергии СЧ.
При отсутствии градиента внешних сил,
член, определяющий изменение внутренней
энергии СЧ, исчезает, и уравнение движения
СЧ становится уравнением Ньютона для
твердого тела с массой СЧ.
Как следует из закона сохранения им-
пульса, движение МТ не может изменить им-
пульса СЧ. Поэтому обратный процесс пере-
хода внутренней энергии в энергию движе-
ния СЧ невозможен. Это приводит к необра-
тимой динамике систем СЧ. Поэтому для ме-
ханики СЧ можно ввести понятие энтропии.
Это понятие применимо для СЧ в том случае,
когда СЧ состоит из достаточно большого
количества МТ так, что в термоди-
намическом пределе каждую СЧ можно счи-
тать равновесной системой. Энтропия СЧ
определяется, как отношение увеличения
внутренней энергии к ее полной величине.
Прирост энтропии неравновесной системы,
которую можно определить совокупностью,
состоящей из равновесных СЧ, можно запи-
сать так [5]:
R
L
N
k
L
s
k
L
ks
L
L
E
dt
v
F
N
S
1
1
/
]
[
(2)
L
E
-внутренняя энергия СЧ;
L
N
- число
частиц в
L
-СЧ;
L
=1,2,3…
R
- количество
РПС;
s
- внешние МТ, взаимодействующие с
k
-й МТ
L
-СЧ;
L
ks
F
-сила, действующая на
k
-ю МТ СЧ со стороны
s
-ой МТ другой СЧ;
k
v
-скорость
k
-й МТ.
Таким образом, динамика реального тела,
состоящего из элементов, определяется дву-
мя типами энергии - энергией движения тела
как целого и его внутренней энергией. По-
этому каждому типу энергии соответствует
свой тип сил. Отсюда приходим к важному
заключению в общем случае: геометрия
движения неравновесных систем оп-
ределяется двумя типами симметрии –
симметрией самой системы и симметрией
пространства, в котором движется эта сис-
тема. Это выражается в том, что геометрия
движения СЧ, в отличие от геометрии дви-
жения МТ [7], определяется суммой квадра-
тов двух интервалов, что можно записать так:
2
ds
2
tr
ds
+
2
ins
ds
(3)
Журнал проблем эволюции открытых систем
Вып. 12, Т.1, 2010 6
Здесь
2
tr
ds
-квадрат интервала, соответст-
вующий энергии движения СЧ,
2
ins
ds
- квадрат
интервала, определяемого внутренней энер-
гии СЧ.
Таким образом, квадрат интервала нерав-
новесной системы распадается на сумму
квадратов двух интервалов. Первый соответ-
ствует энергии движения ЦМ системы, а вто-
рой соответствует внутренней энергии сис-
темы. Эти интервалы ортогональны, так
как удовлетворяют теореме Пифагора.
Они соответствуют катетам для полного
интервала системы в конфигурационном
пространстве. Этот результат является очень
важным, так как на основе инвариантности
интервала строится гамильтонов формализм
для физических систем.
Чтобы понять природу двух типов сим-
метрии, поставленных в соответствие струк-
туре системы и структуре пространства, в
котором она движется, рассмотрим систему
двух потенциально взаимодействующих МТ,
перемещающуюся в неоднородном простран-
стве. Это нелинейная система. Природа ее
нелинейности обусловлена зависимостью
движения одной МТ от движения другой МТ.
Обе МТ одновременно участвуют в двух
типах движения, определяемых двумя типами
сил. Один тип движения связан с движением
центра масс системы в поле внешних сил.
Второй тип движения обусловлен силами
между МТ, определяемыми расстоянием ме-
жду ними. Переход к микро и макроперемен-
ным позволяет разделить эти типы движения.
В результате каждому типу движения будет
соответствовать свой интеграл движения.
Этими интегралами являются энергия движе-
ния системы и внутренняя энергия. Оче-
видно, что если внешнее поле зависит от
микро и макропараметров, то при движении
системы меняется как ее внутренняя энергия,
так и энергия движения. Зависимость внеш-
них сил от микропараметров означает, что
эти силы разные для разных МТ. Следова-
тельно, изменение внутренней энергии сис-
темы определяется второй производной, взя-
той от потенциала внешнего поля сил.
С точки зрения математики переход от
лабораторной системы координат в систему
центра масс путем представления внешнего
поля сил через микро и макропеременные,
означает разделение переменных. При этом
нелинейность исчезает, так как она была обу-
словлена зависимостью координат и скорости
МТ в лабораторной системе координат. В
результате задача двух МТ становится интег-
рируемой.
Теперь по аналогии с задачей двух тел
рассмотрим задачу о движении системы мно-
гих тел. Пусть дана неравновесная система
потенциально взаимодействующих МТ в од-
нородном пространстве. Остановимся на слу-
чае, когда она представима в виде двух пере-
мещающихся относительно друг друга рав-
новесных СЧ. Подход к решению этой задачи
аналогичный задаче о системе двух МТ, при
условии такого взаимодействия СЧ, которое
не нарушает их равновесия. В этом случае
микропараметрами являются координаты и
скорости движения МТ относительно центра
масс соответствующих СЧ. Макропарамет-
рами являются относительные координаты и
скорости центров масс СЧ. Внутренняя энер-
гия такой системы равна сумме внутренних
энергий СЧ. А энергия движения системы -
это энергия относительного движения СЧ.
Заключение
При замене МТ на СЧ, возникает меха-
ника, которая описывает реальные диссипа-
тивные неравновесные процессы. Она при-
менима для описания динамики неравновес-
ных систем с учетом их открытости и дисси-
пативности. Т.е. замена моделей систем из
МТ на модели систем из СЧ приводит к рас-
ширению классической механики. Это рас-
ширение позволяет, оставаясь в рамках Нью-
тоновской механики для МТ, предложить
объяснение детерминированной необратимо-
Журнал проблем эволюции открытых систем
7 Вып. 12, Т.1, 2010
сти, и, таким образом, ввести в классическую
механику понятия энтропии и эволюции.
Детерминированная необратимость обу-
словлена тем, что любое реальное тело пред-
ставляет собой структуру. Поэтому оно обла-
дает внутренней энергией. Эта энергия при
движении тел в поле внешних сил может
только увеличиваться. Согласно закону со-
хранения импульса она не может переходить
в энергию движения тела.
Таким образом, энергия внешнего поля
идет не только на ускорение тела, но и на
увеличение его внутренней энергии.
Из уравнения движения СЧ следует не-
возможность существования бесструктурных
частиц, так как бесструктурные частицы не
могут образовать аттрактора. Следовательно,
они не могут образовывать замкнутые сис-
темы. Отсюда приходим к важному заключе-
нию: согласно законам классической меха-
ники материя должна быть делима до бес-
конечности.
Детерминированное решение проблемы
необратимости найдено в результате уточне-
ния используемых базисных моделей класси-
ческой механики. Это служит подтвержде-
нием необходимости дальнейшего развития
физики не только по пути раскрытия новых
явлений, но и углублением ее теоретических
основ.
Литература: [1]. Yang C. The law of parity conservation and other symmetry laws of physics Nobel Lec-
ture, December 11, 1957; [2]. Zaslavsky G.M. Chaotic dynamic and the origin of Statistical laws. Physics Today.
August. Part 1, р. 39, 1999; [3]. Somsikov V.M. The equilibration of an hard-disks system. IJBC, v. 14, N11, p.
4017, 2004; [4]. Somsikov V.M. Peculiarities of mechanics of the structured particles, XXIV IUPAP International
Conference on Statistical Physics Cairns Convention Centre, 19 - 23 July 2010; [5]. Somsikov V.M. The systems
dynamics of the structured particles
arXiv:1006.3158v1
[physics.class-ph] 16 June. 2010; [6]. Newton I. Mathe-
matical principles of natural Philosophy. New York, 1846; [7]. Ланцош К. Вариационные принципы механи-
ки. М., Мир, 1965 – 498c;
Принято в печать 25.02.10
УДК 530.1 (075.8)
ДЕТЕРМИНИРОВАННАЯ НЕОБРАТИМОСТЬ
В МЕХАНИКЕ СТРУКТУРИРОВАННЫХ ЧАСТИЦ
Вячеслав Михайлович Сомсиков
Республика Казахстан, г. Алма-Ата, 480020, Институт ионосферы, Алма-Ата
E-mail:
vmsoms@rambler.ru
THE DETERMINED IRREVERSIBILITY
IN THE MECHANIC OF THE STRUCTURED
Достарыңызбен бөлісу: |