Введение
Метастабильность в цифровой электронике. В химии и физике метастабильность обозначает промежуточное энергетическое состояние в динамической системе, отличное от состояния системы с наименьшей энергией. Мяч, покоящийся в углублении на склоне, является простым примером метастабильности. Если мяч слегка толкнуть, он вернется в свое углубление, но более сильный толчок может заставить его скатиться вниз по склону. Кегли демонстрируют аналогичную метастабильность, либо слегка покачиваясь, либо полностью падая. Распространенным примером метастабильности в науке является изомеризация. Изомеры с более высокой энергией существуют длительное время, поскольку им препятствуют переходы в предпочтительное основное состояние (возможно, значительными) энергетическими барьерами. В метастабильном состоянии с конечным временем жизни все параметры, описывающие состояние, достигают и поддерживают стационарные значения. В изоляции: состояние с наименьшей энергией – единственное, в котором система будет находиться неопределенно долго, пока в систему не будет добавлена дополнительная внешняя энергия (уникальное «абсолютно стабильное» состояние); система спонтанно покинет любое другое состояние (с более высокой энергией), чтобы в конечном итоге вернуться (после ряда переходов) в состояние с наименьшей энергией. Концепция метастабильности возникла в физике фазовых переходов первого рода. Затем она приобрела новое значение в изучении агрегированных субатомных частиц (в атомных ядрах или атомах) или в молекулах, макромолекулах или кластерах атомов и молекул. Позже она была использована для изучения процессов принятия решений и систем передачи информации. Метастабильность широко распространена в физике и химии – от атома (многочастичной системы) до статистических ансамблей молекул (вязких жидкостей, аморфных твердых тел, жидких кристаллов, минералов и т.д.) на молекулярном уровне или в целом (см. Метастабильные состояния вещества и зернистые материалы ниже). Множество состояний становится более вероятным по мере увеличения размеров систем и/или если силы их взаимного взаимодействия пространственно менее однородны или более разнообразны. В динамических системах (с обратной связью), таких как электронные схемы, передача сигналов, системы принятия решений, нейронные и иммунные системы, временная инвариантность активных или реактивных паттернов по отношению к внешним воздействиям определяет стабильность и метастабильность (см. метастабильность мозга ниже). В этих системах эквивалентом тепловых флуктуаций в молекулярных системах является «белый шум», который влияет на распространение сигнала и процесс принятия решений.
metastability in digital electronics
In chemistry and physics, metastability denotes an intermediate energetic state within a dynamical system other than the system's state of least energy. A ball resting in a hollow on a slope is a simple example of metastability. If the ball is only slightly pushed, it will settle back into its hollow, but a stronger push may start the ball rolling down the slope. Bowling pins show similar metastability by either merely wobbling for a moment or tipping over completely. A common example of metastability in science is isomerisation. Higher energy isomers are long lived because they are prevented from rearranging to their preferred ground state by (possibly large) barriers in the potential energy. During a metastable state of finite lifetime, all state describing parameters reach and hold stationary values. In isolation:
the state of least energy is the only one the system will inhabit for an indefinite length of time, until more external energy is added to the system (unique "absolutely stable" state);
the system will spontaneously leave any other state (of higher energy) to eventually return (after a sequence of transitions) to the least energetic state. The metastability concept originated in the physics of first order phase transitions. It then acquired new meaning in the study of aggregated subatomic particles (in atomic nuclei or in atoms) or in molecules, macromolecules or clusters of atoms and molecules. Later, it was borrowed for the study of decision making and information transmission systems. Metastability is common in physics and chemistry – from an atom (many body assembly) to statistical ensembles of molecules (viscous fluids, amorphous solids, liquid crystals, minerals, etc.) at molecular levels or as a whole (see Metastable states of matter and grain piles below). The abundance of states is more prevalent as the systems grow larger and/or if the forces of their mutual interaction are spatially less uniform or more diverse. In dynamic systems (with feedback) like electronic circuits, signal trafficking, decisional, neural and immune systems, the time invariance of the active or reactive patterns with respect to the external influences defines stability and metastability (see brain metastability below). In these systems, the equivalent of thermal fluctuations in molecular systems is the "white noise" that affects signal propagation and the decision making.
Статистическая физика и термодинамика
Неравновесная термодинамика — это раздел физики, изучающий динамику статистических ансамблей молекул посредством неустойчивых состояний. Состояние, когда система "застревает" в термодинамической яме, не достигая состояния с минимальной энергией, называется кинетической стабильностью или кинетической устойчивостью. Конкретное движение или кинетика участвующих атомов привело к тому, что они оказались в этой яме, несмотря на существование более предпочтительных (с более низкой энергией) альтернатив.
Состояния материи
Метастабильные состояния вещества (также называемые метастатами) охватывают процессы плавления твердых тел (или замерзания жидкостей), кипения жидкостей (или конденсации газов) и сублимации твердых тел, а также состояния переохлажденных жидкостей или перегретых жидкостно-газовых смесей. Чрезвычайно чистая переохлажденная вода остается в жидком состоянии при температуре ниже 0 °C и сохраняет это состояние до тех пор, пока внешние вибрации или зародыши кристаллизации не инициируют образование центров кристаллизации. Это типичная ситуация для капель в атмосферных облаках.
Конденсированные вещества и макромолекулы
Метастабильные фазы распространены в конденсированной материи и кристаллографии. Это относится к анатазу, метастабильному полиморфу диоксида титана, который, несмотря на то, что обычно является первой фазой, образующейся во многих процессах синтеза из-за его более низкой поверхностной энергии, всегда остается метастабильным, в то время как рутил является наиболее стабильной фазой при всех температурах и давлениях. В качестве другого примера, алмаз стабилен только при очень высоком давлении, но является метастабильной формой углерода при стандартной температуре и давлении. Он может быть преобразован в графит (плюс остаточная кинетическая энергия), но только после преодоления энергии активации – своеобразного барьера. Мартенсит – метастабильная фаза, используемая для контроля твердости большинства сталей. Метастабильные полиморфы кремния наблюдаются довольно часто. В некоторых случаях, например, в аллотропах твердого бора, получение образца стабильной фазы затруднено. Связи между строительными блоками полимеров, таких как ДНК, РНК и белки, также метастабильны. Аденозинтрифосфат (АТФ) – высокометастабильная молекула, которую в обиходе описывают как "наполненную энергией", которую можно использовать различными способами в биологии. В общем случае, эмульсии/коллоидные системы и стекла являются метастабильными. Например, метастабильность кремниевого стекла характеризуется временем жизни порядка 10<sup>98</sup> лет (по сравнению со временем жизни Вселенной, которое оценивается примерно в 13,787e9 лет). Песчаные кучи – одна из систем, демонстрирующих метастабильность при наличии крутого склона или туннеля. Песчинки образуют кучу благодаря трению. Возможно, большая песчаная куча достигнет состояния равновесия, но добавление всего одной песчинки может вызвать обрушение значительной ее части. Лавины – хорошо известная проблема, связанная с большими скоплениями снега и кристаллов льда на крутых склонах. В сухих условиях снежные склоны ведут себя аналогично песчаным кучам. Внезапный сдвиг целого горного склона, покрытого снегом, может произойти из-за присутствия лыжника или даже громкого шума или вибрации.
Квантовая механика
Совокупные системы субатомных частиц, описываемые квантовой механикой (кварки внутри нуклонов, нуклоны внутри атомных ядер, электроны внутри атомов, молекул или атомных кластеров), обладают множеством различимых состояний. Среди них одно (или небольшой набор вырожденных состояний) является неограниченно стабильным: основное состояние или глобальный минимум. Все остальные состояния, кроме основного состояния (или вырожденных с ним), имеют более высокую энергию. Из всех этих состояний метастабильными являются те, время жизни которых составляет как минимум в 10²–10³ раз больше, чем у самых короткоживущих состояний в наборе. Таким образом, метастабильное состояние долговечно (локально стабильно относительно конфигураций с близкой энергией), но не вечно (как глобальный минимум). Находясь в возбужденном состоянии – с энергией выше энергии основного состояния – оно в конечном итоге распадается в более стабильное состояние, высвобождая энергию. Действительно, при температуре выше абсолютного нуля все состояния системы имеют ненулевую вероятность распада, то есть спонтанного перехода в другое состояние (обычно с более низкой энергией). Одним из механизмов этого является туннелирование.
Ядерная физика
Некоторые энергетические состояния атомного ядра (обладающие различными пространственными распределениями массы, заряда, спина и изоспина) живут значительно дольше, чем другие (ядерные изомеры одного и того же изотопа), например, технеций-99m. Изотоп тантала-180m, несмотря на то, что является метастабильным возбужденным состоянием, существует достаточно долго, чтобы его распад никогда не был зафиксирован, при этом период полураспада оценен как минимум в 4,5 года, что более чем в 3 миллиона раз превышает текущий возраст Вселенной.
Атомная и молекулярная физика
Некоторые атомные энергетические уровни являются метастабильными. Атомы Ридберга – пример метастабильных возбужденных атомных состояний. Переходы из метастабильных возбужденных уровней обычно запрещены правилами отбора для электрических дипольных моментов. Это означает, что любые переходы с этого уровня относительно маловероятны. В определенном смысле, электрон, оказавшийся в метастабильной конфигурации, оказывается в ней запертым. Поскольку переходы из метастабильного состояния не невозможны (а лишь менее вероятны), электрон в конечном итоге распадается на менее энергетический уровень, как правило, посредством электрического квадрупольного перехода или, часто, нерадиационного дезактивации (например, коллизионной дезактивации). Эта медленная характеристика распада метастабильного состояния проявляется в фосфоресценции – виде фотолюминесценции, наблюдаемом в светящихся в темноте игрушках, которые можно зарядить, предварительно подвергнув их воздействию яркого света. В то время как спонтанное излучение в атомах имеет типичную временную шкалу порядка 10−8 секунд, распад метастабильных состояний обычно занимает от миллисекунд до минут, поэтому свет, излучаемый при фосфоресценции, обычно слабый и длительный.
Химия
В химических системах система атомов или молекул, включающая изменение химической связи, может находиться в метастабильном состоянии, которое сохраняется относительно долгое время. Молекулярные колебания и тепловое движение делают химические виды, энергетически эквивалентные вершине округлого холма, крайне недолговечными. Метастабильные состояния, сохраняющиеся в течение многих секунд (или лет), встречаются в энергетических долинах, которые не являются самой низкой возможной долиной (точка 1 на иллюстрации). Распространенным типом метастабильности является изомерия. Стабильность или метастабильность данной химической системы зависит от ее окружения, в частности от температуры и давления. Различие между получением стабильного и метастабильного соединения может иметь важные последствия. Например, наличие неверного кристаллического полиморфа может привести к неэффективности лекарственного средства при хранении между производством и применением. График, показывающий, какое состояние является наиболее стабильным в зависимости от давления, температуры и/или состава, известен как фазовая диаграмма. В областях, где конкретное состояние не является наиболее стабильным, оно все же может быть метастабильным. Промежуточные продукты реакции относительно недолговечны и обычно термодинамически нестабильны, а не метастабильны. IUPAC рекомендует называть их преходящими, а не метастабильными. Термин «метастабильность» также используется для описания специфических ситуаций в масс-спектрометрии и спектрохимии.
Электросхемы
Предполагается, что цифровая схема должна переходить в одно из небольшого числа стабильных цифровых состояний за определенное время после изменения входного сигнала. Однако, если изменение входного сигнала происходит в неподходящий момент, цифровая схема, использующая обратную связь (даже простая схема, такая как триггер), может попасть в метастабильное состояние и неограниченно долго оставаться в нем, прежде чем окончательно установится в полностью стабильное цифровое состояние.
Вычислительная нейробиология
Метастабильность в мозге – это явление, изучаемое в вычислительной нейробиологии для понимания того, как человеческий мозг распознает закономерности. В данном контексте термин "метастабильность" используется в достаточно широком смысле. Отсутствует состояние с минимальной энергией, но в мозге существуют полу-транзиентные сигналы, которые сохраняются в течение определенного времени и отличаются от обычного состояния равновесия.