О закономерностях подобия формы спектров амплитуд флуктуаций в процессах разной природы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.02, кандидат физико-математических наук Панчелюга, Виктор Анатольевич

• Панчелюга, Виктор Анатольевич
• кандидат физико-математических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Панчелюга, Виктор Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Обзор литературы.

1.1 История открытия феномена макроскопических флуктуаций и становление метода попарного сравнения тонкой структуры гистограмм.

1.2. Основные свойства феномена макроскопических флуктуаций.

Эффект ближней зоны.

Универсальность феномена макроскопических флуктуаций.

Периодичность проявления феномена макроскопических флуктуаций.

Эффект местного времени.

О зависимости результатов измерений от направления в пространстве.

Неподвижный коллиматор направленный на Полярную звезду.

Опыты с неподвижными коллиматорами, направленными на восток и на запад.

Опыты с вращаемыми коллиматорами.

Выделенные формы гистограмм.

Зеркальная симметрия гистограмм.

Выводы.

Глава 2. Методика исследований.

2.1 Исходный экспериментальный материал.

2.2 Методика обработки экспериментальных данных.

2.3. Построение распределения интервалов.

Глава 3. Источники флуктуаций, используемые в работе.

3.1. Типы шумов в полупроводниковых приборах.

Тепловой шум.

Дробовой шум.

Фликкер-шум.

Генерационно-рекомбинационный шум.

3.2. Источники шума на биполярных транзисторах.

GT1, GT2. Генераторы шума на кремниевых транзисторах типа

КТЗ15Д. Принцип работы и конструкция.

3.3 GDI И GD2: Источники шума на шумовых диодах 2Г401А.

3.4. GS1 И GS2: Источники шума на стабилитронах КС168А.

3.5. GR1 И GR2: Шумовые генераторы, использующие в качестве источника шума тепловые шумы резисторов.

3.6. Статистические тесты для GT1 И GT2.

3.7. Статистические тесты для GDI И GD2.

3.8. Статистические тесты для GS1 И GS2.

3.9. Статистические тесты для GR1 И GR2.

Выводы.

Глава 4. Исследования эффекта местного времени на малых пространственно-временных масштабах с использованием полупроводниковых источников флуктуаций.

4.1. Эффект местного времени.

4.2. Пространственно-разнесенные измерения Пущино-Дюксин

Тбилиси.

Исходные экспериментальные данные.

Результаты исследования эффекта местного времени на основе экспериментальных записей шумов полученных в г. Пущино и с. Дюксин.

Результаты исследования эффекта местного времени на основе экспериментальных записей шумов полученных в г. Пущино и г. Тбилиси.

Результаты исследования эффекта местного времени на основе экспериментальных записей шумов полученных в г. Тбилиси с. Дюксин.

Выводы.

4.3. Исследование эффекта местного времени с использованием пространственно-разнесенных измерений Пущино-Болыыевик.

Результаты экспертной оценки эффектов местного времени.

4.4. Фрактальная структура пика местного времени.

4.5. Азимутальная выраженность эффекта местного времени.

4.6. Эффект местного времени для движущихся источников флуктуаций.

4.7. Исследование азимутальной выраженности эффекта местного времени для движущихся источников флуктуаций.

4.8. Зависимость выраженности эффекта местного времени от угла между осью симметрии измерительной системы и вектором скорости ее движения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «О закономерностях подобия формы спектров амплитуд флуктуаций в процессах разной природы»

Феномен макроскопических флуктуаций, составляющий предмет наших исследований, был открыт более 50-ти лет тому назад (1951-1956 г.г.) в попытках уменьшить «разброс результатов» при производстве возможно более точных измерений скоростей биохимических реакций. После исключения всех возможных погрешностей, была обнаружена неустранимая дискретность величин результатов однотипных (стандартных) последовательных измерений. Эта дискретность проявлялась в форме гистограмм, представлявших собой набор «разрешенных» и «запрещенных» значений измеряемой величины.

Первоначально эта дискретность была воспринята как специфическое проявление сложности биологических объектов — наличие в исследованных препаратах нескольких устойчивых конформаций макромолекул белков. Наблюдаемые флуктуации были объяснены синхронными переходами молекул белков из одной конформации в другую, и само это явление получило название «конформационные колебания». Этот вывод послужил стимулом для развертывания работ по поиску колебательных режимов в биохимических и химических реакциях. Одним из результатов этого поиска стало исследование аспирантом С.Э. Шноля A.M. Жаботинским и сотрудниками колебательной реакции Б.П.Белоусова.

Однако, неустранимая дискретность величин амплитуд «разброса результатов» не объяснялась существованием колебательных переходов из одного состояния в другое - в соответствующих временных рядах пе обнаруживались какие-либо периоды. Характерные дискретные гистограммы наблюдались и во вполне, согласно принятым критериям, случайных процессах. После этого феномен получил название «макроскопические флуктуации».

Для выяснения природы дискретных характеристик изучаемых биохимических процессов, были предприняты многолетние исследования. Было показано, что макроскопические флуктуации в биохимических процессах имеют нетривиальную природу. Аналогичные явления были обнаружены в различных химических, физико-химических и физических процессах. В результате этого, сформировалось представление об универсальном характере феномена макроскопических флуктуаций.

В биологических процессах, в реакциях с участием белков, амплитуда наблюдаемых флуктуаций оказалась особенно большой. Но, выяснение природы этого явления на биологических объектах требует проведения длительных, многократных и трудоемких измерений, что сопряжено, к тому же, с большими экономическими затратами. В связи с этим, объектами для изучения природы макроскопических флуктуаций стали сначала измерения скоростей модельных химических реакций, а затем измерения различных типов радиоактивности. Никакой зависимости наблюдаемых закономерностей от природы изучаемого процесса и применяемых методов обнаружено не было. В ходе этих работ, постепенно выкристаллизовался основной объект исследований — флуктуации скорости а-распада препаратов 239Ри. Данный процесс в наибольшей степени оказался пригодным для целей исследования феномена макроскопических флуктуаций, поскольку он заведомо не подвержен влиянию лабораторных условий и измерения скорости а-распада, при должной культуре проведения эксперимента и совершенстве применяемых приборов, не зависят от внешних условий. Контролем этой независимости, самого процесса и методов его измерения является многократно подтвержденное соответствие статистике Пуассона и отсутствие каких-либо трендов и выделенных частот в соответствующих временных рядах. При этом следует подчеркнуть, что наблюдаемая тонкая структура спектров амплитуд флуктуаций скорости а-распада пе противоречит статистике Пуассона и не означает влияния на сам процесс радиоактивного распада.

Исследования временных рядов флуктуаций, методом попарного сравнения гистограмм, позволили выявить целый ряд закономерностей, присущих феномену макроскопических флуктуаций:

• в каждый данный момент тонкая структура - форма гистограмм, построенных по результатам измерения флуктуаций любых процессов в данном географичесском пункте с высокой вероятностью сходна;

• эта форма закономерно изменяется со временем (с периодами, равными солнечным и звездным суткам, рядом периодов в районе 27 суток, периодами, определяемыми движением Земли по около-солнечной орбите);

• эффект местного времени: в разных географических пунктах (опыты проведены при синхронных измерениях в Арктике, Антарктике, разных странах

Европы и Америки) сходные по форме гистограммы наблюдаются в одно и то же местное время;.

• зависимость формы гистограмм от направление вылета а-частиц показана при измерениях а-рапада образцов 239Ри с использованием коллиматоров, вырезающих пучки а-частиц, вылетающих в определенных направлениях.

Основной результат этих исследований состоит в доказательстве обусловленности тонкой структуры спектров амплитуд флуктуаций - формы соответствующих гистограмм — космофизическими факторами.

При всем удобстве использования а-распада в качестве источника флуктуаций, у него есть существенные ограничения, обуславливающие пространственно-временное разрешение метода исследований - трудно получать необходимые для дальнейшего анализа гистограммы за время меньше одной минуты. Для преодоления этой трудности необходимо было использование других, более высокочастотных источников флуктуаций.

Основной целью диссертационной работы была разработка метода, позволяющего увеличить пространственно-временное разрешение при исследовании феномена макроскопических флуктуаций. В связи с этим была поставлена и решена задача получения основных закономерностей феномена с использованием полупроводниковых источников флуктуаций, свободных от отмеченных выше ограничений. Использование таких источников с частотной полосой 0-200 кГц позволило исследование временных закономерностей с точностью до 10"4 секунды, что, в свою очередь, сделало возможным достичь пространственного разрешения порядка 1 метра. Высокое пространственно-временное разрешение метода позволило выявить и исследовать, в ходе выполнения настоящей работы, следующие особенности феномена макроскопических флуктуаций:

• существование эффекта местного времени на расстояниях до 0.75 м;

• фрактальную структуру пика местного времени;

• азимутальную выраженность эффекта местного времени;

• существование эффекта местного времени для движущихся источников флуктуаций.

Полученная, в результате, феноменология эффекта местного времени на малых пространственно-временных масштабах требует для своего понимания дальнейших экспериментальных исследований. Одним из таких исследований, выполненных в рамках настоящей работы, явилось исследование характерной формы гистограмм, возникающей в момент максимума солнечного затмения. Обнаружение характерной формы, соответствующей определенному моменту в динамике системы Солнце-Луна-Земля, согласуется с вышеупомянутыми результатами по исследованию эффекта местного времени и дает дополнительную информацию к пониманию физической природы феномена макроскопических флуктуаций.

Как было отмечено вначале, работы по изучению феномена макроскопических флуктуаций начинались с исследования флуктуаций скорости биохимических реакций и долгое время биохимические системы являлись основным и единственным объектом исследований. Выяснение универсального характера феномена и расширение, в связи с этим, области исследований на физические системы, не отменяет важность получаемых результатов для понимания биофизических процессов. Увеличение пространственно-временного разрешения метода и ряд новых результатов, полученных в рамках настоящей работы, способствуют лучшему пониманию природы дискретных значений параметров, характеризующих биологические объекты.

Результаты диссертации использованы при планировании и подготовке эксперимента на борту Международной космической станции, осуществляемого в настоящее время в соответствии с Федеральной космической программой «Наука МКС» в сотрудничестве с Федеральным государственным унитарным предприятием Центральный научно-исследовательский институт машиностроения и Научно-исследовательским институтом ядерной физики им. Д.В.Скобельцина МГУ им. М.В. Ломоносова.

Заключение диссертации по теме «Биофизика», Панчелюга, Виктор Анатольевич

выводы.

В ходе проведенного в настоящей работе исследования было показано, что:

1) временные ряды флуктуаций тока обратно смещенного р-п - перехода полупроводниковых структур могут быть использованы в практике исследований феномена макроскопических флуктуаций, что повышает пространственно-временное разрешение метода на пять порядков;

2) показано существование эффекта местного времени на малых пространственно-временных масштабах. Минимальный исследованный пространственный масштаб составляет 0.75 м, минимальный временной масштаб (длительность используемых гистограмм) составляет 0.2 мс;

3) существование эффекта местного времени на малых пространственно-временных масштабах позволило использовать данный эффект в лабораторных экспериментах - была разработана соответствующая методика, превращающая эффект местного времени в удобный инструмент исследования феномена макроскопических флуктуаций;

4) была открыта и исследована фрактальная структура пика местного времени и суточного периода.

5) была исследована азимутальная зависимость эффекта местного времени.

6) было показано существование эффекта местного времени для движущихся источников флуктуаций. Исследована азимутальная выраженность эффекта местного времени в случае движущихся источников флуктуаций. Было показано, что выраженность эффекта местного времени зависит от угла между осью симметрии измерительной системы и вектором скорости ее движения. Данный результат открывает методическую возможность исследования пространственных масштабов неоднородностей ответственных за существование эффекта местного времени и суточного периода;

7) была исследована характерная форма гистограмм, возникающая в момент максимума солнечного затмения и особенности ее планетарного проявления.

Автор благодарит коллектив лаборатории физической биохимии Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН, за внимание к работе и стимулирующие обсуждения в ходе еженедельных семинаров. Отдельную благодарность хочется выразить И.А. Рубинштейну за технические консультации и помощь в изготовлении ряда приборов, использовавшихся для выполнения настоящего исследования. Особая признательность выражается С.Э. Шнолю за предоставление возможности работать по этой теме, за многолетнее сотрудничество, многочисленные плодотворные обсуждения и идеи, ценные советы, за создание атмосферы доброжелательности и человечности, во многом способствовавшей выполнению настоящей работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Эта работа началась постановкой опытов по непрерывному измерению флуктуаций скорости а-распада в 1998 г. на кафедре физики высоких энергий и элементарных частиц физического факультета Афинского университета, Греция. Непрерывные измерения в Афинах продолжались вплоть до 2004 г., после чего были продолжены в институте Теоретической и экспериментальной биофизики в г. Пущино, Россия, а также, в ходе многочисленных отечественных и зарубежных экспедиций и совместных синхронных измерений проведенных в г. Пущино и различных географических пунктах (Греция, Германия, Египет, США, Украина, Грузия). Полученный, в результате, экспериментальный материал был использован в ходе выполнения настоящей работы.

Начиная с 2005-го года, были начаты работы по выяснению возможности использования полупроводниковых источников в практике исследований феномена макроскопических флуктуаций, которые составили предмет настоящей диссертации. Разработка методики, основанной на использовании в качестве источника флуктуаций тока обратно смещенного р-п - перехода, специальных шумовых диодов позволила на пять порядков повысить разрешение метода и провести исследования феномена макроскопических на малых пространственно-временных масштабах, при пространственном разрешении порядка метра и временном — порядка 0.2 мс. В результате проведенных исследований были впервые получены следующие результаты: существование эффекта местного времени на малых пространственно-временных масштабах, фрактальная структура пика местного времени, наблюдение эффекта местного времени для движущихся источников флуктуаций и на этой основе — цикл исследований по выяснению азимутальной зависимости эффекта местного времени для случая неподвижной и движущейся измерительных систем.

Данные результаты, с одной стороны, значительно расширяют известные свойства феномена макроскопических флуктуаций, а с другой - служат основой для планирования и постановки новых экспериментов. В качестве примера таких экспериментов можно привести цикл измерений скорости а-распада и флуктуаций в полупроводниковых источниках флуктуаций, готовящихся к проведению на борту международной космической станции. В планировании эксперимента на борту МКС были использованы результаты настоящей работы.

Кроме исследований эффекта местного времени на малых пространственно-временных масштабах большое значение для понимания изучаемого феномена имеет обнаружение выделенных форм гистограмм, соответствующих максимуму солнечного затмения. То, что определенные моменты в динамике системы Солнце-Луна-Земля могут «маркировать» форму спектров амплитуд флуктуаций в процессах различной природы, на наш взгляд, имеет большое значение для возможностей будущего теоретического осмысления феномена макроскопических флуктуаций.

Также, важно отметить, что все рассмотренные в работе закономерности справедливы, в силу универсального характера изучаемого феномена, также для химико-биологических систем и могут быть использованы в практике биофизических исследований.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Панчелюга, Виктор Анатольевич, 2008 год

1.Э.Шноль О самопроизвольных синхронных переходах молекул актомиозина в растворе из одного состояния в другое. // Вопросы медицинской химии, 1958, т. 4, вып. 6, с. 443-454.

2. С.Э.Шноль, Х.Ф. Шольц, О.А. Руднева Изменение адсорбционной способности белка при самопроизвольных изменениях состояния актомиозина в растворе. // Вопросы медицинской химии, 1959, т. 5, вып. 4, с. 259-264.

3. С.Э.Шноль Синхронные конформационные колебания молекул актина, миозина и актомиозина в растворах. // Сб. Молекулярная биофизика, М., Наука, 1965 с. 56-81.

4. С.Э.Шноль Конформационные колебания макромолекул. // Колебательные процессы в биологических и химических системах. М., Наука, 1967, с. 22-41.

5. С.Э. Шноль Синхронные обратимые изменения («конформационные колебания») препаратов мышечных белков. // Дисс. на соискание уч. степени д.б.н., Пущино, Институт Биофизики АН СССР, 1969 -307 с.

6. S.E. Shnoll Conformational oscillations in protein macromolecules. // Biological and Biochemical Oscillators. Ed. B.Chance, N.Y., Acad. Press, 1973, p. 667-669.

7. С.Э. Шноль, О.А. Руднева, E.JI. Никольская, Т.А. Ревельская Изменение амплитуды самопроизвольных переходов препарата актомиозина из одного состояния в другое при хранении препаратов. // Биофизика, 1961, том 6, вып. 2, с. 165-171.

8. С.Э. Шноль, Н.А. Смирнова Колебания концентрации сульфгидрильных групп в растворах актомиозина, актина, миозина. // Биофизика, 1964, т. 9, вып. 4, с. 532-534.

9. Б.П. Белоусов Периодически действующая реакция и ее механизм. // Сборник рефератов по радиационной медицине за 1958 год. М., Медгиз, 1959, с. 145147.

10. Жаботинский A.M. Периодический ход окисления малоновой кислоты в растворе (исследование кинетики реакции Белоусова). // Биофизика, 1964, т.9, с. 306-311.

11. С.Э.Шноль Герои, злодеи, конформисты российской науки. М., КРОН-ПРЕСС, 2001 875 с.12