Астрофизика

Теоретические основы и принципы передачи сигналов и сообщений, распространяющихся во времени. 3. Спонтанное обращение времени в гидродинамических системах

Alexander Trunev (Торонто)

На принципиальную возможность передачи сигналов назад по времени было указано в работах [1-2]. В работе [3] было показано, что при передаче сигнала в прошлое по стандартному каналу связи энтропия приемника возрастает, что в теплоизолированной системе приводит к пропорциональному росту температуры. Энтропия и температура являются основными параметрами систем для осуществления передачи и приема сигналов из будущего. Производные же этих величин могут служить для распознавания смысла сообщения. Все неравновесные системы, в которых наблюдается изменение скорости производства энтропии, теоретически могут быть передатчиками и приемниками сигналов, передаваемых из будущего в прошлое.

Особый интерес для технических приложений представляют собой такие системы, в которых скорость производства энтропии изменяется в больших пределах в ограниченном объеме. Примером такой системы может служить поток вязкой жидкости или газа вблизи плоской пластины – рис. 1.

Рис. 1. A) Пограничный слой на плоской гладкой пластине в турбулентном пограничном слое в тормозящем градиенте давления [4]: 1 – ламинарный пограничный слой; 2 – переходной слой; 3 – турбулентный пограничный слой; 4 – турбулентное отрывное течение; B) толщина ламинарного пограничного слоя в воздушном потоке при скорости течения ; C) средняя толщина отрывного течения в зависимости от расстояния до передней кромки.

Как известно, такого рода поток является самоорганизующимся течением, в котором можно выделить в общем случае четыре зоны:

1) ламинарный пограничный слой, примыкающий к передней кромке пластины. В этой зоне слои жидкости четко разделены между собой, скорость течения в заданной точке не меняется во времени;

2) переходной слой, разделяющий ламинарное течение и турбулентное течение, возникающее ниже по потоку. В этой зоне генерируются неустойчивые нелинейные волны, которые взаимодействуют между собой и основным потоком;

3) турбулентный пограничный слой, в котором генерируются хаотические колебания скорости основного потока;

4) отрывное течение, в котором преобладают крупномасштабные пульсации скорости, а скорость среднего течения вблизи стенки направлена против скорости основного потока.

Среди специалистов до сих пор нет единого мнения о причинах, в силу которых простое ламинарное течение жидкости в пограничном слое становится необычайно сложным и хаотичным. Дело в том, что согласно экспериментальным данным первые турбулентные пятна появляются вблизи поверхности пластины, где с хорошей точностью выполняется линейная система уравнений, описывающая вязкое течение:

(1)

- вектор скорости течения, - кинематическая вязкость.

Полагая в этой системе уравнений, что возмущение скорости описывается плоской монохроматической волной, , немедленно получаем спектр возмущений . Следовательно, любые слабые возмущения затухают во времени по экспоненциальному закону:

(2)

Этот неоспоримый математический факт легко опровергается при столкновении с действительностью, где турбулентные течения возникают из ламинарных течений путем необъяснимого перехода. В конце 70-х годов прошлого века возникла идея, что коэффициент вязкости в системе (1) может принимать отрицательные значения в локальных областях течения [5]. В этом случае в силу (2) малые возмущения скорости будут возрастать по экспоненциальному закону, в полном соответствии с опытом. Однако эта сугубо математическая идея натолкнулась на непонимание среди физиков, которые не могли допустить, что вязкость может быть отрицательной величиной. Ведь согласно статистической физике вязкость определяется молекулярным процессом переноса и рассеяния импульса. В силу этого процесса кинетическая энергия потока обращается в тепловую энергию. Наличие отрицательной вязкости даже в локальных областях означало бы, что тепловая энергия молекул каким-то образом превращается в энергию макроскопического движения. Но такого механизма до сих пор не было открыто, поэтому идея отрицательной вязкости при всей ее математической привлекательности была отвергнута как несостоятельная.

Однако сама идея спонтанного развития неустойчивости в локальных областях течения хорошо подтверждается на практике, что также требует своего объяснения. Анализируя выражение (2), легко обнаружить, что возмущения будут нарастать не только в случае отрицательной вязкости, но также и при обращении времени. Следовательно, можно предположить, что в ламинарном потоке вблизи поверхности пластины возникают локальные области течения, в которых время спонтанно изменяет знак. Заметим, что обращение времени в динамических системах приводит к изменению знака скорости движения, но не меняет величины скорости и знака ускорения. Т.е. для спонтанного обращения времени не требуется никаких дополнительных сил или энергии. Само же обращение времени приводит к тому, что малые возмущения скорости потока в виде плоской волны будут возрастать по экспоненциальному закону в полном соответствии с опытом. Но какие же физические условия могут приводить к локальному обращению времени в подобных системах?

Вязкое течение можно характеризовать скоростью диссипации кинетической энергии потока в единице объема. Для автомодельного течения скорость диссипации на поверхности плоской пластине зависит от скорости набегающего потока и числа Рейнольдса в виде:

где - число Рейнольдса.

Далее заметим, что вблизи передней кромки пластины , а в области перехода к турбулентности число Рейнольдса изменяется в пределах . Таким образом, в ламинарном течении скорость диссипации энергии изменяется вниз по потоку в миллион раз! Но скорость диссипации энергии однозначно связана со скоростью производства энтропии, которая пропорционально снижается вниз по потоку в миллион раз. Благодаря низкой скорости генерации энтропии в зоне перехода, вся область течения ниже точки перехода является очень чувствительной к любому сигналу, приходящему из будущего.

Заметим, что будущее в сплошной среде имеет двоякий смысл. Во-первых, это будущее, измеряемое по лабораторным часам внешнего наблюдателя. Во-вторых, это будущее выделенного объема самой среды, который, перемещаясь вдоль пластины, последовательно проходит все зоны течения от ламинарного до турбулентного и области отрыва потока. Пометив выделенный объем жидкости каплей чернил в области вблизи передней кромки, где , внешний наблюдатель заметит, как эта капля пройдет зону ламинарного течения, как она начнет дробиться в зоне перехода, как чернила заполнят зону турбулентности. В области отрыва объем капли будет, уже сопоставим с объемом всего течения в пограничном слое. Таким образом, выделенный объем как бы утрачивает свою индивидуальность, сразу же за зоной перехода. Если вместо капли чернил использовать мелкие твердые частицы-трассеры, выпуская их непрерывно в заданной точке вблизи передней кромки (например, вдувать струйку дыма в газовый поток), то и в этом случае частицы заполнят весь объем турбулентного течения, полностью утратив свою индивидуальность. Можно сказать, что будущее выделенного объема жидкости не определено или определено только в вероятностном смысле. Т.е. частица среды забывает свое начальное состояние. Полная потеря информации о начальном состоянии является предпосылкой для спонтанного обращения времени, ведь в этом случае будущее и прошлое симметричны, поэтому сигнал с равной вероятностью распространяется как в будущее, так и в прошлое.

Локальное обращение времени в сплошной среде это ни что иное, как сигнала из будущего. Можно предположить, что такие сигналы приходят из области потока, в которой уже реализовался турбулентный режим течения. Поскольку такой сигнал распространяется назад по времени, в лабораторной системе координат он воспринимается как локальный всплеск в ламинарной области потока, который сносится вниз по течению в зону турбулентности. Именно происхождение этих всплесков до сих пор не находит объяснения. На самом же деле при обращении времени, видно, что струя жидкости выходит из зоны турбулентности и ударяется о твердую поверхность в зоне перехода, вызывая всплеск. Действительно, если для течения на рис. 1 обратить время, тогда скорость основного потока изменит свой знак, а градиент давления не изменится, поскольку ускорение и сила не меняют знака при обращении времени. В результате получим течение в сопутствующем градиенте давления, которое трансформируется из турбулентного в ламинарное. Такой переход действительно существует в природе. Он называется реламинаризация турбулентного течения и реализуется именно в сопутствующем градиенте давления.

Отметим, что спонтанное обращение времени можно зарегистрировать только в диссипативных системах, в которых сигналы движущиеся вперед и назад по времени не являются симметричными. В идеальных же системах, типа электромагнитного поля, нет надежного способа отличить сигналы, приходящие из будущего от сигналов приходящих из прошлого. С другой стороны, если в электромагнитное поле добавить проводник, обладающий омическим сопротивлением, тогда сигналы приходящие из прошлого будут возрастать по амплитуде, вплоть до разрушения проводника. Сигналы же приходящие из прошлого будут затухать, вызывая обычный нагрев проводника. Т.е. диссипативные процессы в проводнике создают асимметрию между прошлым и будущим, точно также как и вязкие процессы в жидкости.

Схема на рис. 1 является хорошей иллюстрацией общей проблемы, связанной с получением сигналов из будущего. В зоне ламинарного течения преобладает влияние принципа причинности, поэтому прошлое и будущее хорошо различимы. В этой зоне сигналы из будущего не проникают в прошлое. В зоне турбулентного течения принцип причинности нарушается, прошлое и будущее не различимы, поэтому нет никаких запретов на проникновение сигналов из будущего в прошлое. Но такие сигналы не могут быть использованы для передачи полезной информации, поскольку любой такой сигнал в принципе не отличим от турбулентного шума. И только в переходной зоне возможно спонтанное нарушение принципа причинности и прием сигналов из будущего, которые могут нести полезную информацию. Однако сам механизм спонтанного, т.е. не детерминированного нарушения принципа причинности не позволяет осуществлять управляемую передачу сигналов, как по обычному каналу связи.

Наконец, заметим, что резкое увеличение энтропии, которое ассоциируется с хаосом, довольно часто регистрируется живыми организмами, которые, видимо, связывают это увеличение с потенциальной опасностью для жизни. Так во время разрушительного цунами в конце 2004 года животные в заповеднике на острове Цейлон покинули опасную зону до прихода волны [6]. Аналогичное поведение наблюдалось и среди определенной части населения Европы накануне как Первой, так и Второй Мировой войны, когда люди в массовом порядке покидали опасную территорию еще за 3-4 года до начала военных действий. Некоторые очень сенситивные индивиды могли даже видеть апокалиптические картины будущего пожара, в котором спустя несколько лет сгорели десятки миллионов людей.

Ссылки

1. Виктор Охонин. О ВОЗМОЖНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИ РЕКОНСТРУИРУЕМОГО ПРОШЛОГО. The World Astrology Review, № 4, 2003/http://www.trounev.com/thewar/No16/Okhonin.htm

2. Alexander Trunev. О возможности передачи сигналов во времени. The World Astrology Review, № 8, 2003 /http://www.trounev.com/thewar/No20/AT.htm

3. Alexander Trunev. Теоретические основы и принципы передачи сигналов и сообщений, распространяющихся во времени. The World Astrology Review, № 9, 2003 /http://www.trounev.com/thewar/No21/AT.htm

4. A P Trunev. Theory of Turbulence And Turbulent Transport In the Atmospheric Boundary Layer

5. Н. А. Ларькин, В.А. Новиков, Н.Н. Яненко. Нелинейные уравнения переменного типа. - Новосибирск: Наука. 1983.

6. Шестое чувство спасло диких животных от цунами/31.12.2004, пятница, 17:03:21, Lenta.ru: Из жизни: http://www.lenta.ru/oddly/2004/12/30/animals/