Кіріспе

Динамикалық жүйедегі аралық энергетикалық күй, цифрлық электроникадағы метастабильділік. Химия мен физикада метастабильділік динамикалық жүйедегі жүйенің ең төменгі энергиялық күйінен өзгеше аралық энергетикалық күйді білдіреді. Еңістегі ойыста тыныш жатқан шар – метастабильділіктің қарапайым мысалы. Егер шарды сәл итерсеңіз, ол өз ойысына қайта оралады, бірақ күштірек итеру оны еңістен домалатуы мүмкін. Боулинг доптары да бір сәт тербеліп немесе толығымен құлау арқылы ұқсас метастабильділікті көрсетеді. Ғылымдағы метастабильділіктің кең таралған мысалы – изомерлену. Жоғары энергиялы изомерлер ұзақ өмір сүреді, себебі олардың таңдаған негізгі күйіне қайта құрылуына (мүмкін үлкен) потенциалдық энергиядағы кедергілер тосқауыл қояды. Шекті өмір сүру ұзақтығындағы метастабильді күйде, жағдайды сипаттаушы барлық параметрлер тұрақты мәндерге жетеді және сол күйде қалады. Жеке қарастырылғанда: жүйеге сыртқы энергия қосылғанға дейін (бірден-бір «абсолютті тұрақты» күй) ең төменгі энергиялық күй – жүйенің белгісіз мерзімге дейін болатын жалғыз күйі; жүйе кез келген басқа күйден (жоғары энергиялы) өздігінен шығып, ақырында ең төменгі энергиялық күйге оралады (күшін жойғаннан кейін). Метастабильділік тұжырымы бірінші реттік фазалық өтулер физикасынан пайда болды. Кейін ол жинақталған субатомдық бөлшектерді (атом ядроларында немесе атомдарда) немесе молекулаларды, макромолекулаларды немесе атомдар мен молекулалардың кластерлерін зерттеуде жаңа мағынаға ие болды. Содан кейін ол шешім қабылдау және ақпарат тарату жүйелерін зерттеу үшін қолданылды. Метастабильділік физика мен химияда кең таралған – атомнан (көп денелер жиынтығы) молекулалардың статистикалық жиындарына (қою сұйықтықтар, аморфты қатты денелер, сұйық кристалдар, минералдар және т.б.) молекулалық деңгейде немесе тұтастай (төмендегі заттың және дән шоғырларының метастабильді күйлерін қараңыз). Күйдегі әртүрлілік жүйелердің көлемі ұлғайғанда және олардың өзара әрекеттесу күштері кеңістікте біркелкі болмаса немесе әртүрлі болса, көбірек байқалады. Динамикалық жүйелерде (кері байланыспен), мысалы электрондық тізбектерде, сигналдар таралымында, шешім қабылдауда, жүйке және иммундық жүйелерде, сыртқы ықпалдарға қатысты белсенді немесе реактивті үлгілердің уақыт бойынша өзгермейтіні тұрақтылықты және метастабильділікті анықтайды (төмендегі ми метастабильділігін қараңыз). Бұл жүйелерде молекулалық жүйелердегі жылулық флуктуацияларға тең келетін «ақ шу» сигнал таралуына және шешім қабылдауға әсер етеді.

Статистикалық физика және термодинамика

Тепе-теңдік емес термодинамика – молекулалардың статистикалық жиынтықтарының динамикасын тұрақсыз күйлер арқылы зерттейтін физика саласы. Ең төменгі энергия күйіне жетпестен, термодинамикалық төмендікте "қалпында" болу кинетикалық тұрақтылық немесе кинетикалық инерция деп аталады. Атомдардың нақты қозғалысы немесе кинетикасы, энергиясы төменрек басқа мүмкіндіктер болғанына қарамастан, олардың осы күйде қалып қоюына себеп болды.

Заттың күйлері

Материяның метастабильді күйлері (оларды метастаттар деп те атайды) балқыған қатты заттардан (немесе қатып қалған сұйықтықтардан), қайнаған сұйықтықтардан (немесе конденсацияланған газдардан) және сублимацияланған қатты заттардан бастап, суперсалқындалған сұйықтықтарға немесе қатты қыздырылған сұйық газ қоспаларына дейін жетеді. Өте таза, суперсалқындалған су 0 °C-тан төмен температурада сұйық күйде қалады және сыртқы тербелістер немесе тұқымдық кристалдануды тудыратын қоспалар кристалдану ошақтарын пайда болғанша солай болып қалады. Бұл атмосфералық бұлттардағы тамшылар үшін кең таралған жағдай.

Конденсацияланған заттар мен макромолекулалар

Метастабильді фазалар конденсирленген заттар мен кристаллографияда кең таралған. Бұл анатазға қатысты, титан диоксидінің метастабильді полиморфы, ол көптеген синтез процестерінде көбінесе алғашқы фаза ретінде пайда болса да, төменгі беттік энергиясына байланысты, әрқашан метастабильді болып қалады, ал рутил барлық температура мен қысымда ең тұрақты фаза болып табылады. Мысалы, алмаз тек өте жоғары қысымда ғана тұрақты фаза болып табылады, бірақ стандартты температура мен қысымда көміртегінің метастабильді түрі болып табылады. Ол графитке (қалдық кинетикалық энергиямен бірге) айналуы мүмкін, бірақ белсенділік энергиясын жеңгеннен кейін ғана. Мартенсит – болаттың қаттылығын реттеу үшін қолданылатын метастабильді фаза. Кремнийдің метастабильді полиморфтары жиі кездеседі. Кейбір жағдайларда, мысалы, қатты бордың аллотроптарында, тұрақты фазаның үлгісін алу қиын. ДНК, РНК және белоктар сияқты полимерлердің құрылыс блоктары арасындағы байланыстар да метастабильді. Аденозин трифосфаты (АТФ) – биологияда көптеген жолдармен қолданылатын, "энергияға толы" деп сипатталатын өте метастабильді молекула. Жалпы айтқанда, эмульсиялар/коллоидты жүйелер мен шынылар метастабильді. Мысалы, кремний шынының метастабильділігі 1098 жылға жуық өмір сүру мерзімімен сипатталады (ғаламның шамамен 13,787e9 жылдық өмір сүру мерзімімен салыстырғанда). Құм үйінділері – тік беткей немесе туннель болған жағдайда метастабильділікті көрсете алатын жүйелердің бірі. Құм түйіршіктері үйіледі, себебі олардың арасында үйкеліс күші бар. Құмның үлкен үйіндісі тұрақтанған жағдайда, бір түйіршік қосылса, оның үлкен бөліктері құлап қалуы мүмкін. Көшкін – қар мен мұз кристалдарының тік беткейлердегі үлкен үйінділерімен байланысты мәселе. Құрғақ жағдайда қарлы беткейлер құм үйінділері сияқты әрекет етеді. Мұз таудың бүкіл беткейі шаңғышының болуынан немесе тіпті қатты шу немесе дірілден кенеттен сыға қалуы мүмкін.

Кванттық механика

Кванттық механикамен сипатталған субатомдық бөлшектердің жиынтық жүйелері (нуклондардағы кварктар, атом ядроларындағы нуклондар, атомдардағы электрондар, молекулалар немесе атомдық кластерлер) көптеген ерекшеленетін күйлерге ие екені анықталды. Олардың бірі (немесе кішкентай дегенеративті жиын) шексіз тұрақты: негізгі күй немесе жаһандық минимум. Негізгі күйден басқа барлық күйлер (немесе онымен бірге дегенерацияланатын) жоғары энергияға ие. Осы күйлердің ішіндегі метатұрақты күйлердің өмір сүру ұзақтығы, жиынның ең қысқа өмір сүретін күйлеріне қарағанда кемінде 102-103 есеге артық. Метастабильді күй ұзақ өмір сүреді (жергілікті түрде "қоршаған" энергиялар конфигурацияларына қатысты тұрақты), бірақ мәңгілік емес (жаһандық минимум сияқты). Ол негізгі күйден жоғары энергияда болғандықтан, ақырында энергияны бөліп шығарып, көбірек тұрақты күйге өтеді. Расында, абсолютті нөлден жоғары температурада жүйенің барлық күйлерінің ыдырау ықтималдығы нөлден өзгеше болады; яғни, өздігінен басқа күйге (әдетте энергиясы төмен) түсуі мүмкін. Мұның бір механизмі – туннельдік эффект.

Ядролық физика

Атом ядросының кейбір энергетикалық күйлері (ерекше кеңістіктік массасы, заряды, спині, изоспині таралымы бар) басқаларына қарағанда әлдеқайда ұзақ өмір сүреді (сол изотоптың ядролық изомерлері), мысалы, техноций-99m. Тантал-180m изотопы, метатұрақтанған қозған күйде болғанымен, соншалықты ұзақ өмір сүреді ki, оның ыдырауы ешқашан байқалған жоқ, жартылай ыдырау мерзімі кем дегенде 4,5 жыл деп есептеліп, ғаламның қазіргі жасынан 3 миллион есе артық.

Атомдық және молекулалық физика

Кейбір атомдық энергия деңгейлері метатұрақты. Ридберг атомдары – метастабильді қозған атомдық күйлердің мысалы. Метастабильді қозған деңгейлерден өтулер көбінесе электрлік дипольдік таңдау ережелерімен шектеледі. Бұл, осы деңгейден кез келген өтудің болу ықтималдығы төмен дегенді білдіреді. Бір жағынан, электрон метатұрақты конфигурацияға түсіп қалса, онда ол сол күйде тұрақтап қалады. Метастабильді күйден өтулер мүмкін емес емес (тек аз ғана ықтимал), сондықтан электрон ақырында электрлік төртполюстік өту арқылы немесе көбінесе радиациялық емес деқозу арқылы (мысалы, соқтығысу деқозу) төмен энергиялы күйге өтеді. Метастабильді күйдің баяу ыдырау қасиеті фосфоресценцияда, жарықпен зарядталатын қараңғыда жарқырап тұратын ойыншықтарда көрінетін фотолюминесценцияның бір түрінде айқын байқалады. Атомдардағы спонтанды сәулеленудің уақыт өлшемі шамамен 10−8 секундты құрайды, ал метатұрақты күйлердің ыдырауы әдетте миллисекундтардан минуттарға дейін созылады, сондықтан фосфоресценцияда шығатын жарық әдетте әлсіз және ұзаққа созылады.

Химия

Химиялық жүйелерде химиялық байланыстың өзгеруін қамтитын атомдар немесе молекулалар жүйесі метастабильді күйде болуы мүмкін, бұл салыстырмалы түрде ұзақ уақытқа созылады. Молекулалық дірілдер мен жылулық қозғалыс химиялық түрлерді дөңгелек төбенің энергетикалық эквивалентінде өте аз ғана уақытқа сақтайды. Көптеген секундтар (немесе жылдар) бойы сақталатын метастабильді күйлер, ең төменгі мүмкін болатын аңғар емес, энергетикалық аңғарларда кездеседі (суреттегі 1-нүкте). Метастабильділіктің кең таралған түрі – изомеризм. Берілген химиялық жүйенің тұрақтылығы немесе метастабильділігі оның ортасына, әсіресе температура мен қысымға байланысты. Тұрақты және метастабильді құралымдарды жасау арасындағы айырмашылық маңызды салдарларға әкелуі мүмкін. Мысалы, дұрыс емес кристалл полиморфы дәрінің өндіріс пен қолдану арасындағы сақтау кезінде тиімсіз болуына себеп болуы мүмкін. Қысым, температура және/немесе құрамға байланысты қай күйдің ең тұрақты екенін көрсететін карта фазалық диаграмма деп аталады. Егер белгілі бір күй ең тұрақты болмаса, ол әлі де метастабильді болуы мүмкін. Реакция аралықтары салыстырмалы түрде аз ғана уақытқа сақталатындықтан, көбінесе термодинамикалық тұрақсыз, метастабильді емес. IUPAC оларды метастабильді емес, уақытша деп атауға ұсынады. Метастабильділік сондай-ақ массалық спектрометрия және спектрохимиядағы нақты жағдайларды сипаттау үшін де қолданылады.

Электрондық схемалар

Цифрлық схема кіріс өзгергеннен кейін белгілі бір уақыт ішінде шектеулі сандағы тұрақты цифрлық күйге түсуі тиіс. Бірақ, егер кіріс дұрыс емес сәтте өзгерсе, кері байланыс қолданатын (флип-флоп сияқты қарапайым схема да) цифрлық схема метатұрақ күйге ене алады және толыққанды тұрақты цифрлық күйге орналасу үшін белгісіз уақыт қажет болуы мүмкін.

Есептеу нейробиологы

Мидың метастабильділігі – адам миының үлгілерді қалай танитынын түсіну үшін есептеу нейробиологиясында зерттелетін құбылыс. Бұл жерде метастабильділік термині шартты түрде қолданылады. Төменгі энергиялық күй болмаса да, мида біраз уақытқа созылатын және қалыпты тепе-теңдік күйінен өзгеше жартылай уақытша сигналдар пайда болады.