24.03.2025
Многие системы в природе и в обществе могут внезапно менять свои свойства: вода замерзает при нормальном давлении при температуре 0°C, электросеть выходит из строя при поломке центральной подстанции, а общество распадается на противоборствующие фракции после крупного события. Все эти процессы являются примерами так называемых фазовых переходов — переломных моментов, когда система резко переходит в новое состояние.
«Часто мы можем легко предсказать эти переходы. Мы знаем, при какой температуре замерзает вода. Но иногда крайне трудно предугадать, когда и как произойдут эти изменения», — объясняет исследователь CSH Ян Корбел, один из авторов исследования, опубликованного в Nature Communications.
Скрытые микроскопические изменения
Особый класс переходов, известный как переходы смешанного типа, до сих пор не привлекал особого внимания и особенно сложен для прогнозирования.
«При таком типе перехода макроскопическое изменение вызывается каскадом микроскопических изменений, которые нелегко обнаружить», — объясняет автор исследования Стефан Турнер из CSH.
Как только накапливается достаточное количество мелких изменений, система становится уязвимой для дальнейших сдвигов, и, казалось бы, незначительное событие может внезапно вызвать серьёзную трансформацию.
«Наше исследование показывает, что эти резкие переходы смешанного типа обусловлены долгосрочными каскадными процессами в сети взаимодействий», — объясняет Корбел.
«Это очень удивительно, потому что мы знаем об этих резких переходах уже более ста лет, но их происхождение оставалось неизвестным. Мы первыми показали, что спонтанные микроскопические механизмы внутри системы приводят к этим резким переходам в виде каскадов, — добавляет внештатный сотрудник CSH Шломо Хавлин. – И я считаю, что этот механизм объясняет большинство — если не все — резких переходов, которые происходят в природе и даже в реальной жизни».
«Мы смогли продемонстрировать, что даже когда эти системы демонстрируют схожее макроскопическое поведение, микроскопические детали перехода сильно зависят от точной структуры системы», — говорит Турнер.
По мере приближения системы к переломному моменту — также известному как критическая точка — время, необходимое для перехода в новую фазу, значительно увеличивается.
В качестве иллюстрации этого: когда вы растягиваете резиновую ленту, поначалу ничего особенного не происходит. Однако по мере приближения к точке разрыва может пройти много времени, прежде чем она наконец порвётся, и точный момент разрыва трудно предсказать.
Войны редко вспыхивают внезапно
«В отличие от резиновой ленты, уникальность фазовых переходов смешанного порядка заключается в том, что даже когда система достигает переломного момента, часто проходит много времени, прежде чем происходит переход в новую фазу, и нет надёжных индикаторов того, когда именно это произойдёт», — говорит Корбел.
Вернёмся к примеру с водой: в озере молекулы воды в первую очередь влияют на своих ближайших соседей, а не на молекулы на противоположной стороне озера. При нормальных условиях кристаллы льда формируются постепенно по мере снижения температуры. Однако если бы замерзание озера было фазовым переходом смешанного типа, вода долгое время оставалась бы неизменной, даже если бы температура упала ниже точки замерзания. Затем, внезапно и неожиданно, всё озеро замёрзло бы сразу.
«Аналогичный принцип применим к социальным процессам. Может показаться, что война разразилась внезапно, но ей часто предшествует множество мелких, поначалу незаметных событий — политическая напряжённость, экономические кризисы или дипломатические инциденты. Меняются базовые сети. Однако система долгое время остаётся стабильной, пока, казалось бы, незначительное событие не запускает цепную реакцию, приводящую к внезапной трансформации», — объясняет Турнер.
«Исследование переходов смешанного типа могло бы помочь нам лучше понять резкие изменения в экономике, обществе и природе — и, возможно, даже разработать методы прогнозирования таких переходов», — говорит Корбел.
Модели простых систем
Для своего анализа исследователи использовали теоретическое моделирование спиновых моделей в реальных физических системах. В этих системах спины представляют собой крошечные магнитные моменты, которые могут принимать два состояния.
«Спины обычно взаимодействуют с соседними частицами и стремятся выстроиться в энергетически выгодную конфигурацию», — говорит Корбел.
В ходе моделирования исследователи изменяли спин отдельных частиц. Если это изменение снижало общую энергию системы, то новое состояние, скорее всего, сохранялось, поскольку системы обычно стремятся к состоянию с наименьшей возможной энергией.
«Однако, если бы энергия увеличилась, теоретически было бы невыгодно поддерживать новое состояние», — объясняет Турнер.
Тем не менее, колебания позволяют системе временно занимать более энергетически выгодные состояния. Ближе к переломному моменту возникает множество конкурирующих энергетических уровней, что приводит к длительным колебаниям, прежде чем система окончательно перейдёт в стабильную фазу.
Малоизученный, но весьма актуальный
Большинство исследований в этой области сосредоточены на переходах первого рода, которые происходят внезапно, но не сопровождаются долгосрочными микроскопическими каскадными процессами, например, замерзание воды, или переходах второго рода, которые происходят не внезапно, а постепенно, например, потеря намагниченности ферромагнетиком.
«Что меня больше всего удивило в этой работе, так это то, что этому типу перехода уделялось так мало внимания в физике, несмотря на его присутствие во многих природных и социально-экономических системах и его потенциальную важность для многочисленных областей применения», — говорит Корбел.
На данном этапе исследование опирается исключительно на данные моделирования методом Монте-Карло.
«Использование реальных данных может стать чрезвычайно перспективным направлением для наших будущих исследований», — говорит Корбел.
Источник: Phys.org
