Кіріспе
Физикада сындық құбылыстар – сындық нүктелердің физикасымен байланысты жиынтық атау. Олардың көпшілігі корреляциялық қашықтықтың шексіздікке ұмтылуынан туындайды, сонымен қатар динамика да баяулайды. Сындық құбылыстарға түрлі шамалар арасындағы масштабталу қатынастары, кейбір шамалардың қуат заңы бойынша шексіздікке ұмтылуы (мысалы, ферромагниттік фазалық өтудегі магниттік сезімталдық), сындық көрсеткіштермен сипатталатын әмбебаптылық, фракталдық мінез-құлық және эргодикалық бұзылу жатады. Сындық құбылыстар екінші реттік фазалық өтулерде кездеседі, бірақ олармен шектелмейді. Сындық мінез-құлық әдетте фазалық өтуден алшақта жарамды орташа өріс жуықтауынан өзгеше болады, себебі соңғысы корреляцияларды ескермейді, ал жүйе сындық нүктеге жақындағанда, онда корреляциялық қашықтық шексіздікке ұмтылып, олардың маңыздылығы артады. Жүйенің сындық мінез-құлқының көптеген қасиеттерін қайта нормалау тобының аясында алуға болады. Осы құбылыстардың физикалық себептерін түсіндіру үшін біз оқулық мысал ретінде Изинг моделін пайдаланамыз.
In physics, critical phenomena is the collective name associated with the
physics of critical points. Most of them stem from the divergence of the
correlation length, but also the dynamics slows down. Critical phenomena include scaling relations among different quantities, power law divergences of some quantities (such as the magnetic susceptibility in the ferromagnetic phase transition) described by critical exponents, universality, fractal behaviour, and ergodicity breaking. Critical phenomena take place in second order phase transitions, although not exclusively. The critical behavior is usually different from the mean field approximation which is valid away from the phase transition, since the latter neglects correlations, which become increasingly important as the system approaches the critical point where the correlation length diverges. Many properties of the critical behavior of a system can be derived in the framework of the renormalization group. In order to explain the physical origin of these phenomena, we shall use the Ising model as a pedagogical example.
Критикалық нүктедегі айырмашылықтар
Сәйкестік ұзындығы сындық нүктеде шексіздікке дейін өседі: , Бұл шексіздік ешқандай физикалық проблема тудырмайды. Басқа физикалық шамалар осы нүктеде шексіздікке дейін өседі, бұл бастапқыда қыңырсуға алып келеді. Ең маңыздысы – сезімталдық. Сындық нүктедегі жүйеге өте шағын магнит өрісін қолданайық. Өте шағын магнит өрісі үлкен байланысты кластерді магниттеуге қабілетсіз, бірақ бұл фракталды кластерлер жағдайын өзгертеді. Бұл ең кішкентай кластерлерге оңай әсер етеді, себебі олардың парамагниттік сипаттамасы бар. Бірақ бұл өзгеріс өз кезегінде келесі деңгейдегі кластерлерге әсер етеді, және бұл бұзылыс барлық жүйе түбегейлі өзгергенше сатылап жоғарылайды. Осылайша, сындық жүйелер қоршаған ортаның шағын өзгерістеріне өте сезімтал. Басқа шамалар, мысалы, қатысты жылу да осы нүктеде шексіздікке дейін өсуі мүмкін. Бұл барлық шексіздіктердің себебі – сәйкестік ұзындығының шексіздікке өсуі.
system in the critical point. A very small magnetic field is not able to magnetize a large coherent cluster, but with these fractal clusters the picture changes. It affects easily the smallest size clusters, since they have a nearly paramagnetic behaviour. But this change, in its turn, affects the next scale clusters, and the perturbation climbs the ladder until the whole system changes radically. Thus, critical systems are very sensitive to small changes in the environment. Other observables, such as the specific heat, may also diverge at this point. All these divergences stem from that of the correlation length.
Критикалық экспоненттер мен әмбебаптылық
Қиын нүктеге жақындағанда, бұл өзгеше байқалатын шамалар белгілі бір көрсеткішпен сияқты мінез-құлық көрсетеді, мұнда көрсеткіштің α мәні әдетте Tc-ден жоғары да, төмен де бірдей болады. Бұл көрсеткіштер сындық көрсеткіштер деп аталады және олар тұрақты шамалар болып табылады. Сонымен қатар, олар өте әртүрлі физикалық жүйелер үшін бірдей мәндерді қабылдайды. Бұл қызықты құбылыс, жалпыламалық деп аталады, және оны қайта нормалау тобы сапалық және сандық тұрғыдан түсіндіреді.
Күрделі динамика
Критическаялық құбылыстар тек статикалық шамалар үшін ғана емес, динамикалық шамалар үшін де пайда болуы мүмкін. Шындығында, жүйенің сипаттамалық уақытының дивергенциясы динамикалық экспонента z және қатынас енгізу арқылы жылулық корреляция ұзындығының дивергенциясына тікелей байланысты. Жүйенің кең көлемді статикалық әмбебаптық класы z-ның әртүрлі мәндерімен, бірақ ортақ статикалық критическаялық мінез-құлықпен әртүрлі, көлемі кіші динамикалық әмбебаптық кластарға бөлінеді. Критикалық нүктеге жақындағанда, барлық түрдегі баяулау құбылыстарын байқауға болады. Критикалық жағдайдағы релаксация уақытының дивергенциясы әр түрлі ұжымдық тасымалдау шамаларында ерекшеліктерге әкеледі, мысалы, интердиффузиялық коэффициент, серпімді тұтқырлық және көлемді тұтқырлық. Динамикалық критическаялық экспоненттер белгілі бір масштабтау қатынастарын қадағалайды, атап айтқанда, , мұнда d – кеңістіктік өлшем. Тек бір ғана тәуелсіз динамикалық критическаялық экспонента бар. Бұл экспоненттердің мәндері бірнеше әмбебаптық сыныптармен анықталады. Хогенберг-Хальперин номенклатурасы бойынша, H үлгісінің әмбебаптық класы (сұйықтықтар) .
but a common static critical behaviour, and by approaching the critical point one may observe all kinds of slowing down phenomena. The divergence of relaxation time at criticality leads to singularities in various collective transport quantities, e. g., the interdiffusivity, shear viscosity , and bulk viscosity The dynamic critical exponents follow certain scaling relations, viz., , where d is the space dimension. There is only one independent dynamic critical exponent. Values of these exponents are dictated by several universality classes. According to the Hohenberg−Halperin nomenclature, for the model H universality class (fluids) .
Математикалық құралдар
Критиктік нүктелерді зерттеудегі негізгі математикалық құралдар – ренормализация тобы, ол орыс қуыршақтарының бейнесі немесе өзіне ұқсастық арқасында жалпыламалықты түсіндіріп, критиктік көрсеткіштерді сандық түрде болжауға мүмкіндік береді, және вариациялық бұзылыс теориясы, ол дивергентті бұзылыс кеңейтулерін критиктік құбылыстарға қатысты маңызды күшті байланыс кеңейтулеріне айналдырады. Екі өлшемді жүйелерде конформдық өріс теориясы – масштабтық инварианттылық пен бірнеше талаптар шексіз симметрия тобына алып келетінін пайдаланып, 2D-критикалық жүйелердің көптеген жаңа қасиеттерін ашқан қуатты құрал.
Ренормализация тобы теориясының маңызды нүктесі
Критикалық нүкте конформды өріс теориясымен сипатталады. Ренормализация тобы теориясына сәйкес, сындықтың анықтамалық қасиеті – физикалық жүйенің құрылымының сипаттамалық ұзындық өлшемі, сондай-ақ корреляциялық ұзындығы ξ, шексіз болуы. Бұл фазалық кеңістіктегі критикалық сызықтар бойымен жүруі мүмкін. Осы эффект сұйық-сұйық критикалық нүктесіне жақындағанда байқалатын критикалық опалесценцияның себебі болып табылады. Тепе-теңдіктегі жүйелерде, критикалық нүктеге тек бақылау параметрін дәл реттеу арқылы ғана жетеді. Дегенмен, кейбір тепе-теңдіксіз жүйелерде критикалық нүкте динамиканың тартымдылығы болып табылады, бұл жүйе параметрлеріне қатысты тұрақты, және бұл құбылыс өзін-өзі ұйымдастырушы сындылық деп аталады.
Қолданбалар
Физика мен химияда, сондай-ақ социология сияқты салаларда да қолданыс табады. Мысалы, екі саяси партия жүйесін Айсинг моделі арқылы сипаттау оңай. Осылайша, көпшілік билік бір партиядан екіншісіне ауысқанда, жоғарыда айтылған сынды құбылыстар пайда болуы мүмкін.