БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (ФЛ)
Ф. в системах заряженных частиц проявляются как хаотические изменения потенциалов, токов или зарядов; они обусловлены как дискретностью электрического заряда, так и тепловым движением носителей заряда. Эти Ф. являются причиной электрических шумов и определяют предел чувствительности приборов для регистрации слабых электрических сигналов (см. Флуктуации электрические ).
Ф. можно наблюдать по рассеянию света: случайные изменения плотности среды из-за Ф. вызывают случайные изменения по объёму показателя преломления, и в однородной по составу среде или даже в химически чистом веществе может происходить рассеяние света, как в мутной среде. Это явление особенно заметно в бинарных растворах при температуре, близкой к критической температуре расслаивания, – т. н. критическое рассеяние света. Ф. также очень велики в критической точке равновесия жидкость – пар (см. Критические явления ). Ф. давления проявляются в броуновском движении взвешенных в жидкости (или газе) малых частиц под влиянием нескомпенсированных точно ударов молекул окружающей среды.
Лит.: Эйнштейн А., Смолуховский М., Брауновское движение. Сб., пер. с нем., М. – Л., 1936; Леонтович М. А., Статистическая физика, М. – Л., 1944; Мюнстер А., Теория флуктуаций, в сборнике: Термодинамика необратимых процессов, пер. с англ., М., 1962; Зубарев Д. Н., Неравновесная статистическая термодинамика, М., 1971; Левин М. Л., Рытов С. М., Теория равновесных тепловых флуктуаций в электродинамике, М., 1967. См. также лит. при ст. Статистическая физика .
Д. Н. Зубарев.
Флуктуации электрические
Флуктуа'ции электри'ческие, хаотические изменения потенциалов, токов и зарядов в электрических цепях и линиях связи. Ф. э. вызываются тепловым движением носителей заряда и др. физическими процессами в веществе, обусловленными дискретной природой электричества (естественные Ф. э.), а также случайными изменениями и нестабильностью характеристик цепей (технические Ф. э.). Ф. э. возникают в пассивных элементах цепей (металлических и неметаллических проводниках), в активных элементах (электронных, ионных и полупроводниковых приборах), а также в атмосфере, в которой происходит распространение радиоволн .
Тепловые Ф. э. (тепловой шум) обусловлены тепловым движением носителей заряда в проводнике, в результате чего на концах проводника возникает флуктуирующая разность потенциалов. В металлах из-за большой концентрации электронов проводимости и малой длины свободного пробега тепловые скорости электронов во много раз превосходят скорость направленного движения в электрическом поле (дрейфа). Поэтому Ф. э. в металлах зависят от температуры, но не зависят от приложенного напряжения (Найквиста формула ). При комнатной температуре интенсивность тепловых Ф. э. остаётся постоянной до частот ~ 1012 гц. Хотя тепловые Ф. э. возникают только в активных сопротивлениях, наличие реактивных элементов (ёмкостей и индуктивностей) может изменить частотный спектр Ф. э. В неметаллических проводниках Ф. э. на низких частотах на несколько порядков превышают тепловые Ф. э. Эти избыточные шумы объясняются медленной случайной перестройкой структуры проводника под действием тока.
Ф. э. в электровакуумных и ионных приборах связаны главным образом со случайным характером электронной эмиссии с катода (дробовой шум ). Интенсивность дробовых Ф. э. практически постоянна для частот (108 гц и зависит от присутствия остаточных ионов и величины объёмного заряда (см. Дробовой эффект ). Дополнительные источники Ф. э. в этих приборах – вторичная электронная эмиссия с анода и сеток электронных ламп, динодов фотоэлектронных умножителей и т.п., а также случайное перераспределение тока между электродами. В электровакуумных и ионных приборах наблюдаются также медленные Ф. э., связанные с различными процессами на катоде (см. Фликкер-эффект ). В газоразрядных приборах низкого давления Ф. э. возникают из-за теплового движения электронов.
В полупроводниковых приборах Ф. э. обусловлены случайным характером процессов генерации и рекомбинации электронов и дырок (генерационно-рекомбинационный шум) и диффузии носителей заряда (диффузионный шум). Оба процесса дают вклад как в тепловой, так и в дробовой шумы полупроводниковых приборов. Частотный спектр этих Ф. э. определяется временами жизни и дрейфа носителей. В полупроводниковых приборах наблюдаются также Ф. э., обусловленные «улавливанием» электронов и дырок дефектами кристаллической структуры (см. Дефекты в кристаллах , Полупроводники ).
В приборах, работающих на принципе вынужденного излучения (мазеры и др.), проявляются шумы спонтанной эмиссии, обусловленные квантовым характером электромагнитного излучения.
Технические Ф. э. связаны с температурными изменениями параметров цепей и их старением, нестабильностью источников питания, с помехами от промышленных установок, вибрацией и толчками, с нарушениями электрических контактов и т.п.
Ф. э. в генераторах электрических колебаний вызывают модуляцию амплитуды и частоты колебаний (см. Модуляция колебаний ), что приводит к появлению непрерывного частотного спектра колебаний или к уширению спектральной линии генерируемых колебаний, составляющему величину 10-7 –10-12 от несущей частоты.
Ф. э. приводят к появлению ложных сигналов – шумов на выходе усилителей электрических сигналов, ограничивают их чувствительность и помехоустойчивость , уменьшают стабильность генераторов и устойчивость систем автоматического регулирования и т.д.
Лит.: Власов В. Ф., Электронные и ионные приборы, 3 изд., М., 1960, гл. 13; Бонч-Бруевич А. М., Радиоэлектроника в экспериментальной физике, М., 1966; Левин М. Л., Рытов С. М., Теория равновесных тепловых флуктуаций в электродинамике, М., 1967; Малахов А. Н., Флуктуации в автоколебательных системах, М., 1968; Ван дер Зил А., Шум, пер. с англ., М., 1973.
И. Т. Трофименко.
Флуктуационная гипотеза
Флуктуацио'нная гипо'теза, космологическая гипотеза Л. Больцмана , согласно которой весь наблюдаемый звёздный мир, включая Солнечную систему, является одной из грандиозных флуктуаций во Вселенной, находящейся в целом в состоянии термодинамического равновесия («тепловой смерти» Вселенной ). Распространение второго начала термодинамики на системы космологического масштабов приводило к выводу о неизбежности для этих систем, а в конечном счёте и для всей Вселенной, конечного состояния термодинамического равновесия (максимума энтропии ), при котором невозможны какие бы то ни было макроскопические изменения и движения, существование организованных структур любой природы. В то же время наблюдаемая нами часть Вселенной далека от такого состояния. В качестве возможного объяснения этого противоречия (парадокса) и была предложена Ф. г. (80-е гг. 19 в.). В рамках статистической термодинамики существование неравновесных подсистем в равновесной системе возможно, хотя и мало вероятно. Согласно же Ф. г., в равновесной Вселенной, если она достаточно велика, должны возникать не только малые, но и грандиозные (и тем более маловероятные) флуктуации.
Ф. г. была наиболее выдающейся попыткой преодолеть упомянутый парадокс в рамках классической (дорелятивистской) физики и космологии. Однако, сточки зрения физики, вероятность флуктуации нужных масштабов настолько мала, а время ожидания её появления настолько велико, что различие между понятиями «маловероятно» и «невозможно» становится, в сущности, формальным. С мировоззренческой точки зрения представляется неудовлетворительным, что существование жизни (и вообще организованных структур) оказывается почти чудом, и, т. о., парадокс тепловой смерти, по сути дела, не устраняется, а всего лишь смягчается. Как и другие космологические парадоксы, этот парадокс вообще не мог быть последовательно преодолен в рамках классической физической картины мира: к явлениям космологического масштаба применима не классическая, а релятивистская физика (в частности, релятивистская термодинамика). Английский физик Р. Толмен показал (1928), что учёт тяготения ведёт к выводу, неожиданному с точки зрения классической термодинамики: энтропия системы может расти безгранично, не достигая какого-либо конечного состояния с максимальной энтропией. См. также Космология .
