Кооперативные явления

КООПЕРАТИВНЫЕ ЯВЛЕНИЯ, явления в многочастичной системе, связанные с когерентным (согласованным) взаимодействием большого числа частиц. Простейший пример кооперативных явлений - движения, связанные с локальными изменениями скорости, плотности, давления и др. (звук, теплопроводность и пр.). Такие движения имеют достаточно большие пространственные и временные масштабы, необходимые для установления локального равновесия. Кооперативные явления происходят как в равновесных физических системах, так и в неравновесных системах различной природы (физических, химических, биологических и др.).

Равновесные кооперативные явления можно разделить на две группы: критические явления, связанные с различными фазовыми переходами, и когерентные явления, связанные с установившейся макроскопической упорядоченностью (смотри Квантовая когерентность). Примером первого типа кооперативных явлений служит аномалия теплоёмкости вблизи λ-точки ⁴Не, примером второго типа - сверхтекучесть ⁴Не при температурах ниже λ-точки. Сверхтекучесть, так же как и сверхпроводимость, относится к квантовым кооперативным явлениям, при которых квантовая когерентность проявляется в макроскопических масштабах. К такого же рода явлениям относится и неустойчивость Пайерлса-Фрёлиха, наблюдаемая в ряде квазиодномерных металлических и органических соединений и приводящая к появлению волн зарядовой плотности. Хорошо известные примеры кооперативные явления - ферромагнетизм и антиферромагнетизм - явления, связанные с установлением дальнего магнитного порядка определённого типа. Когерентные явления в упорядоченных фазах вещества, как правило, можно описать в терминах слабо взаимодействующих квазичастиц. Критические явления при фазовых переходах 2-го рода не допускают такого описания.

Неравновесные кооперативные явления имеют место в открытых системах, далёких от термодинамического равновесия; их существование связано с диссипацией энергии. Некоторые из них обусловлены возникновением в неравновесной системе макроскопической пространственной когерентности (диссипативной структуры); они в значительной степени аналогичны равновесным кооперативным явлениям при термодинамических фазовых переходах. К неравновесным кооперативным явлениям относятся: когерентное излучение лазера (пример квантового неравновесного кооперативного явления); неустойчивость Рэлея-Бенара, возникающая в нагреваемом снизу слое жидкости; образование пространственно неоднородных структур при некоторых химических реакциях, а также в процессе морфогенеза. Успешное описание процессов, происходящих в лазере вблизи порога генерации, в рамках теории Ландау фазовых переходов 2-го рода положило начало построению единого подхода к неравновесным кооперативным явлениям, составляющего предмет синергетики.

Ряд важных неравновесных кооперативных явлений связан с появлением временных (или пространственно-временных) структур: например, осцилляции тока в Ганна диоде, осцилляции концентраций химических компонентов в реакции Белоусова - Жаботинского, осцилляции численностей различных видов животных в экологических системах, распространение электрических волн в нервных клетках и т. п. Общего статистического подхода к описанию таких систем пока не существует. Один из наиболее интересных типов волновых кооперативных явлений в активных средах - автоволны.

Особый тип кооперативных явлений, которые нельзя отнести ни к критическим, ни к когерентным, представляют явления, связанные с процессами замерзания в стёклах (структурных, спиновых, электрических и т. п.). В отличие от обычных фазовых переходов, замерзание стёкол не приводит к изменению симметрии системы, однако качественно изменяет её макроскопические свойства. Состояние стекла является метастабильным, и в этом смысле структурные стёкла не являются равновесными системами, однако они также принципиально отличаются от неравновесных диссипативных структур, существующих за счёт притока энергии извне. Происходящие в них процессы называют квазиравновесными кооперативными явлениями.

Лит.: Марч Н., Паринелло М. Коллективные эффекты в твердых телах и жидкостях. М., 1986; Андреев А. В., Емельянов В. И., Ильинский Ю. А. Кооперативные явления в оптике: Сверхизлучение. Бистабильность. Фазовые переходы. М., 1988.