rezumatul tezei de doctorat doctorand, c …...1.2. introducere: ’’o istorie lungă pe...

37
UNIVERSITATEA „ALEXANDRU IOAN CUZA” DIN IAȘI FACULTATEA DE FIZICĂ CONTRIBUȚII LA STUDIUL UNOR EFECTE LA MICRO ŞI MACRO SCARĂ UTILIZÂND DINAMICA NELINIARĂ REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT Doctorand, Conducător ştiinţific, Boicu Maria Prof.Univ.Dr.Maricel Agop Iași 2015

Upload: others

Post on 06-Jan-2020

10 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT Doctorand, C …...1.2. Introducere: ’’O Istorie lungă pe scurt’’ Capitolul de faţă readuce problema descrierii materiei ca un organism. Redăm

UNIVERSITATEA „ALEXANDRU IOAN CUZA” DIN IAȘI

FACULTATEA DE FIZICĂ

CONTRIBUȚII LA STUDIUL UNOR

EFECTE LA MICRO ŞI MACRO SCARĂ

UTILIZÂND DINAMICA NELINIARĂ

REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT

Doctorand, Conducător ştiinţific,

Boicu Maria Prof.Univ.Dr.Maricel Agop

Iași 2015

Page 2: REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT Doctorand, C …...1.2. Introducere: ’’O Istorie lungă pe scurt’’ Capitolul de faţă readuce problema descrierii materiei ca un organism. Redăm

Universitatea “Alexandru Ioan Cuza”din Iaşi

Vă facem cunoscut că în ziua de 10.10.2015, ora 10:00, în sala L1, doamna

Maria Boicu va susţine în şedinţă publică, teza de doctorat cu titlul

”Contribuţii la studiul unor efecte la micro şi macro scară utilizând

dinamica neliniară”, în vederea obţinerii titlului ştiinţific de doctor în

domeniul fundamental Ştiinţe Exacte, domeniul Fizică.

Comisia de doctorat are următoarea componenţă:

Preşedinte: Prof. univ. dr. Diana Mardare, Director Şcoală Doctorală

Universitatea ”Alexandru Ioan Cuza” din Iaşi

Conducător ştiinţific: Prof. univ. dr. Maricel Agop, Universitatea

”Alexandru Ioan Cuza” din Iaşi

Referenţi: Prof. univ. dr. Viorel - Puiu Păun, Universitatea Politehnică din

Bucureşti

Prof. univ. dr. Dumitru Vulcanov, Universitatea de Vest din

Timişoara

Conf. univ. dr. Dan Gheorghe Dimitriu, Universitatea

”Alexandru Ioan Cuza” din Iaşi

Vă invităm pe această cale să participaţi la şedinţa publică de susţinere a tezei.

Page 3: REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT Doctorand, C …...1.2. Introducere: ’’O Istorie lungă pe scurt’’ Capitolul de faţă readuce problema descrierii materiei ca un organism. Redăm

Mulțumiri

Această lucrare a fost finanţată din contractul

POSDRU/159/1.5/S/137750, proiect strategic ’’Programe doctorale şi

postdoctorale - suport pentru creşterea competitivităţii cercetării în

domeniul Stiinţelor exacte’’ cofinanţat din Fondul Social European,

prin Programul Operaţional Sectorial pentru Dezvoltarea Resurselor

Umane 2007-2013.

Page 4: REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT Doctorand, C …...1.2. Introducere: ’’O Istorie lungă pe scurt’’ Capitolul de faţă readuce problema descrierii materiei ca un organism. Redăm

Cuprinsul tezei

Introducere …………………………………………………………….….. 5

Capitolul I

De la diferențiabilitate la fractalitate. Un mesaj Newtonian pentru

cuantificare

1.1. Scop ...................................................................................................... 6

1.2. Introducere ’’O Istorie lungă pe scurt’’………..................................... 7

1.3. Forţele în atomul cuantificat de Bohr .................................................... 8

1.4. Discuţia celor două forţe............................................................... ....... 13

1.5. O întrebare tipic Newtoniană............................................................. . 14

1.6. Prima sugestie: cele două forţe în Istorie............................................. 16

1.7. A doua sugestie: evoluţia ipotezelor cuantice. .....................................17

1.8. Concepte clasice suficiente: cazul orbitelor......................................... 18

1.9. Spirala şi forţa ei caracteristică......………………………….….…… 22

1.10. Un suplement referitor la sl(2, R)…....................................................23

1.11. Mesajul clasic propriu-zis …..……………………………….….… 24

1.12. Spirala ’’element’’ fundamental al tranziţiei nefractal –fractal …..…25

1.13. Perspective ……………………………….…………………….……27

1.14. Bibliografie ….………………………………………………….…..30

Capitolul II

Relativitatea de scală în dimensiune fractală arbitrară constantă pe

varietăți tridimensionale

2.1. Scop.......................................................................................................32

2.2. Consecințe ale nediferențiabilității pe o varietate spațială

tridimensională.............................................................................................. .33

2.3. Derivata covariantă...............................................................................35

2.4. Ecuaţiile geodezicelor...........................................................................38

2.5. Varianta de tip Schrödinger a ecuaţiei geodezicelor.............................39

2.6. Varianta de tip Madelung a ecuaţiei geodezicelor.

Ecuaţiile hidrodinamicii fractale………………………………………..…..40

2.7. Ruperea spontană de simetrie la scală fractală.

Topologie fractală şi elemente de logică fractală...........................................44

2.8. Efect de memorizare şi anomalii în nanostructuri.................................47

2.9. Particula liberă în hidrodinamica fractală.

Mimarea efectului Hubble..............................................................................48

2.10. Dinamici în plasme de ablaţie..............................................................50

2.11. Perspective...........................................................................................57

2.12. Bibliografie..........................................................................................58

5

Page 5: REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT Doctorand, C …...1.2. Introducere: ’’O Istorie lungă pe scurt’’ Capitolul de faţă readuce problema descrierii materiei ca un organism. Redăm

Capitolul III

Relativitatea de scală în dimensiune fractală arbitrară constantă pe o

varietate spaţiu-timp

3.1. Scop ..…..………………………………………………….….……..62

3.2. Consecințe ale nediferențiabilității pe o varietate

spațiu-timp……….………………………………………………………….62

3.3. Construcția operatorului fractal de mișcare pe o varietate

spațiu-timp..................................................................................... ............... 65

3.4. Geodezicele unui spațiu-timp fractal......................................................68

3.5. Ecuația fractală de tip Klein-Gordon .....................................................69

3.6. Potențialul și forța fractală.

Legea de conservare a densității de stări........................................................71

3.7. Energia și masa proprie fluctuantă generalizată.....................................72

3.8. Perspective..............................................................................................74

3.9. Bibliografie.............................................................................................76

Capitolul IV

Tranziții de tip ordine-haos în plasme de descărcare via

nediferențiabilitate. Investigații experimentale și teoretice

4.1. Scop....................................................................................... .................78

4.2. Introducere.............................................................................................78

4.3. Rezultate experimentale.........................................................................80

4.4. Model teoretic

4.4.1. Ecuația de mișcare...........................................................................86

4.4.2. Haoticitate prin turbulență și stohasticitate via

nediferențiabilitate....................................................................................88

4.4.3. Clonare totală și fracționară a funcţiei de undă pentru o groapă

dreptunghiulară unidimensională.

Criterii de evoluție spre haos....................................................................90

4.4.4. Scale temporale.............................................................................90

4.4.5. Evoluții în timp ..............................................................................91

4.4.6. Mimarea criteriilor de evoluție spre haos.......................................91

4.5. Concordanța dintre modelul teoretic și datele experimentale.................93

4.6. Perspective............................................................................ ...............100

4.7. Bibliografie...........................................................................................101

Concluzii generale......................................................................................103

Bibliografie generală......................………………………………..……..106

Publicații ………..………………….…………………………………….113

Rezumatul tezei de doctorat păstrează numerotarea capitolelor, a paragrafelor din teză,a formulelor precum şi a figurilor.

6

Page 6: REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT Doctorand, C …...1.2. Introducere: ’’O Istorie lungă pe scurt’’ Capitolul de faţă readuce problema descrierii materiei ca un organism. Redăm

Introducere

Convinşi fiind de faptul că gândirea cuantică trebuie să fie o continuare

logică a filozofiei naturale, prezenta teză de doctorat explicitează

universalitatea fractalităţii atât ca proprietate morfologică cât şi funcţională a

dinamicilor sistemelor complexe şi aceasta de la cea mai mică scală de

rezoluţie (scala Planck) la scală cosmologică.

În primul capitol se specifică tipul de fractalitate prin admisibilitatea

preceptelor mecanicii clasice în microcosmos în problema Kepler a mişcării.

Capitolul doi explicitează această fractalitate prin construcţia unei teorii a

relativităţii de scală într-o dimensiune fractală arbitrară constantă pe o varietate

tridimensională, pornind de la principii, operator de mişcare, ecuaţia

geodezicelor etc. şi sfârşind cu unele aplicaţii (elemente de logică fractală,

efectul de ’’memorizare’’ şi ’’anomalii’’ în nanostructuri, mimarea legii lui

Hubble, dinamici în plasme de ablaţie etc.). Toate rezultatele din capitolul II,

exceptând aplicaţiile, sunt extinse în capitolul III prin construcţia unei

relativităţi de scală într-o dimensiune arbitrară constantă pe o varietate spaţiu-

timp, ceea ce implică atât generalizarea Teoriei Relativităţii Restrânse a lui

Einstein cât şi a teoriei dublei soluţii a lui de Broglie.

În ultimul capitol sunt prezentate diverse criterii de evoluţie spre haos

(dublare de perioadă, cvasiperiodicitate, cascadă de bifurcaţii subarmonice,

intermitenţe) atât în aproximaţia dispersivă a mişcării cât şi în cea disipativă a

ei utilizând teoria relativităţii de scală într-o dimensiune fractală arbitrară

constantă pe o varietate tridimensională. Modelul teoretic astfel construit este

validat experimental pe baza variatelor comportamente ale unui sistem cu

plasmă în care există o’’minge’’ de foc în stare dinamică.

Capitolul I

De la diferențiabilitate la fractalitate. Un mesaj Newtonian pentru

cuantificare

1.1. Scop Ecuaţiile dinamicii Kepleriene sunt invariante de scală. Aceasta semnifică

faptul că însuşi modelul dinamic descris de către aceste ecuaţii este invariant

în raport cu scala spaţială: ar trebui să fie valid atât la nivel microscopic cât şi

la nivel macroscopic. De ce atunci este necesară prima cuantificare? Ne oferă

ea mai multe informaţii inaccesibile, de regulă, prin fizica clasică? Modelul lui

Bohr de cuantificare, care a generat prima cuantificare, este reanalizat aici ca

un exemplu Newtonian de filozofie naturală: forţa specifică implicată în model

trebuie să ţină cont de unele observaţii experimentale legate de mişcare.

7

Page 7: REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT Doctorand, C …...1.2. Introducere: ’’O Istorie lungă pe scurt’’ Capitolul de faţă readuce problema descrierii materiei ca un organism. Redăm

Rezultă de aici că singurul lucru ce merită a fi luat în considerare din domeniul

’’revoluţiei cuantice’’ este inspiraţia pe care o generează, de exemplu în

probleme de astrofizică [1,2], ramură a fizicii care a contribuit de fapt la

iniţierea teoriei cuantice. Această inspiraţie a existat în istoria fizicii, dar a fost

pierdută din cauza mentalităţii noastre care tinde să vadă ’’lucrurile cuantice’’

diferit şi mai fundamental decât ’’ lucrurile clasice’’. Acest capitol îşi

propune să prezinte toate aceste lucruri într-o singură ordine clasică şi prin

urmare să explice unele dintre descoperirile teoretice cuantice din fizica

contemporană.

Practic există o simetrie fundamentală a dinamicii clasice şi anume aceea de

a fi invariantă la schimbarea scalei spaţiale şi temporale. Aceasta înseamnă că

acea dinamică determinată de forţele centrale invers proporţionale cu pătratul

distanţei este valabilă la orice scară a universului cunoscut. Aşadar dinamica

invariantă descrie, oriunde în structura materiei, mişcări de tip Kepler. Simetria

se rupe spontan, la orice scală, pentru aceste structuri bazate pe elemente

Kepleriene. Mai precis, ruperea simetriei înseamnă o structură complexă a

materiei în care mişcarea Kepler este elementul fundamental. Forţa

corespunzătoare acestei structuri este de tip central invers proporţională cu

puterea a treia a distanţei. Avem astfel un caz concret de structurare a materiei

care specifică într-un fel ’’cum este formată natura din atomi’’. Se arată astfel

că procesul de cuantificare este universal, în sensul că este invariant cu scala

spaţială a percepţiei materiei (adică prin fractalitate).

1.2. Introducere: ’’O Istorie lungă pe scurt’’ Capitolul de faţă readuce problema descrierii materiei ca un organism.

Redăm aici, dintr-un punct de vedere modern, ideea de forţă newtoniană şi pe

cea de structură a materiei corelată cu acea forţă, pe baza căreia să putem

reprezenta materia ca un organism. În definitiv, concepţia lui Kepler a fost de

fapt şi concepţia lui Newton: materia are inteligenţă!

1.3. Forţele în atomul cuantificat de Bohr

Atunci când tratăm atomul planetar ca un moment al filozofiei naturale

newtoniene, noul fapt experimental legat de efectele electrodinamice impune

nu numai existenţa forţei care a generat modelul dinamic planetar clasic, ci şi

o forţă în plus a cărei mărime depinde invers proporţional cu puterea a treia a

distanţei. Desigur, concluzia nu este chiar directă ca în prototipul clasic al

problemei, ci este cumva ‘‘defectă’’ datorită combinării faptului experimental

cu ipotezele care ulterior au fost luate ca semn al “noului mod de gândire

revoluţionară”. În ciuda acestei împrejurări, există totuşi motive clare pentru a

considera ambele forţe în modelul ca atare, indiferent de scara spaţială la care

îl folosim. Într-adevăr, primul semn al acestei universalităţi este acela că

ipotezele cuantice sunt insuficiente aşa cum au fost ele formulate la origine de

8

Page 8: REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT Doctorand, C …...1.2. Introducere: ’’O Istorie lungă pe scurt’’ Capitolul de faţă readuce problema descrierii materiei ca un organism. Redăm

către Bohr şi au trebuit să fie îmbunătăţite într-un mod ce implică în mod

explicit ambele forţe într-un raţionament clasic. Am zice aşadar că, în măsura

în care ele sunt strâns legate de forma îmbunătăţită a ipotezelor cuantice, aceste

două forţe trebuie să poarte cumva un mesaj fundamental legat de ideea de

cuantificare.

1.4. Discuţia celor două forţe

Nimic nou peste rezultatele clasice până acum şi dacă n-ar fi fost cazul să ne

întrebăm asupra formei orbitei corespunzătoare atomului stabil, poate că

dinamica clasică n-ar fi fost prin nimic afectată. Într-adevăr, atâta timp cât

lumina este considerată un fenomen electromagnetic, ştim precis că atomul

planetar clasic trebuie să emită continuu energie, datorită faptului că mişcarea

de revoluţie a electronului este accelerată. Concepţia energetică asupra lumii,

ne permite să echivalăm emisia de radiaţie cu pierderea de energie şi cum

emisia trebuie să fie continuă, pierderea de energie trebuie să fie continuă.

Aceasta duce inevitabil la distrugerea structurii atomului planetar. Cum atomul

se pare că este o structura stabilă, o ultimă raţiune clasică ar fi aceea că

electronul trebuie să se mişte în structura sa pe orbite în care nu emite radiaţie

electromagnetică. S-ar pune deci problema să găsim acele orbite.

1.5. O întrebare tipic Newtoniană

Nefirescul adus de abordarea lui Bohr a interacţiei dintre atomi şi radiaţie,

este acela că radiaţia depinde de fapt numai de tranziţia între orbitele clasice.

Aşadar, din punct de vedere clasic, atâta timp cât un electron stă pe aceeaşi

orbită închisă, n-ar trebui să emită radiaţie. Pe de altă parte, datorită faptului

că în revoluţie există totdeauna o acceleraţie, electronul trebuie să emită

radiaţie, conform regulilor electrodinamicii. Teoria clasică ajunge astfel la o

contradicţie internă, ceea ce a impus, cum se ştie, apariţia mecanicii cuantice.

Ar mai rămâne o şansă: să existe într-adevăr orbite în lungul cărora electronul

să nu emită lumină – orbite “fără radiaţie” cum le numeşte Wilson. El a arătat

[3] că există asemenea orbite, însă ele nu sunt elipse, ci trebuie căutate printre

spiralele logaritmice. Într-adevăr, există o clasă de traiectorii spirale ale

electronului, în lungul cărora, dacă el se mişcă, nu emite radiaţie. Wilson le-a

dedus pe baza a ceea ce se cunoaşte astăzi ca putere radiativă a unei sarcini ce

se mişcă neuniform (pentru o prezentare modernă a conceptului a se vedea [4]).

Această putere radiativă se anulează, deci sarcina în mişcare nu emite radiaţie,

în cazurile în care derivata secundă a vectorului viteză este perpendiculară pe

vectorul viteză însuşi. Mărimea forţei responsabile pentru determinarea

traiectoriilor neradiative ale electronului este de forma:

9

Page 9: REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT Doctorand, C …...1.2. Introducere: ’’O Istorie lungă pe scurt’’ Capitolul de faţă readuce problema descrierii materiei ca un organism. Redăm

𝐹(𝑟) =𝑎2𝐵(1 + 휀2)

𝑟3 (1.19)

Condiţia ne-radiativă ar conduce la ideea de a accepta o premiză diferită de

cea care a condus la modelul lui Rutherford, deoarece spirala nu este o orbită

închisă aşa cum cere modelul. Cum poate totuşi fi o spirală logaritmică parte a

unei structuri clasice stabile?

1.6. Prima sugestie: cele două forţe în Istorie

Newton a reuşit să rezolve problema dinamică a orbitelor în revoluţie printr-

o forţă centrală cu mărimea depinzând exclusiv de distanţă. Această mărime

este aici o combinaţie liniară dintre mărimea forţei de gravitaţie newtoniană

propriu-zisă şi mărimea forţei invers proporţională cu puterea a treia a

distanţei, responsabilă pentru explicaţia dinamică a orbitei spirale

𝐹′(𝒓) = 𝐹(𝒓) +𝑐

𝑟3 (1.20)

1.7. A doua sugestie: evoluţia ipotezelor cuantice

Orbita circulară este insuficientă pentru construcţia teoriei cuantice, exact la

fel cum ea a fost insuficientă pentru modelul planetar iniţial construit de

Copernic. N-a fost exprimată totuşi niciodată vreo opinie care să recunoască

faptul că ea este insuficientă pentru a respinge filozofia naturală clasică din

spaţiul microscopic.

1.8. Concepte clasice suficiente: cazul orbitelor

Cazul primei cuantificări nu este o excepţie: teoria clasică a fost – şi din

nefericire, încă este! – condamnată numai pe baza cercului, pe când ea produce

de fapt, prin dinamica pe care o promovează pentru problema în speţă, elipse.

Prin alegerea cercului se face o confuzie între un parametru fizic de natură

geometrică – raza orbitei – şi o coordonată geometrică – distanţa radială faţă

de centrul de forţă.

În realitate, în cazul elipsei avem de-a face cu cel puţin trei parametri

geometrici ce trebuie luaţi în considerare din punct de vedere fizic,

reprezentând dimensiunile şi orientarea elipsei. Deci, un salt cuantic –

menţinem ideea de salt! – între două orbite, înseamnă din punct de vedere

matematic o tranziţie între două triplete de numere reale.

Cu alte cuvinte, vom lua ecuaţia generală a unei secţiuni conice în planul

său, în forma obişnuită:

𝑓(𝑥, 𝑦) ≡ 𝑎11𝑥2 + 2𝑎12𝑥𝑦 + 𝑎22𝑦

2 + 2𝑎13𝑥 + 2𝑎23𝑦 + 𝑎33 = 0 (1.23) Aşadar, o anumită elipsă este de fapt reprezentată printr-un set de cinci numere:

𝒂 şi |𝑎3. Fie sistemul de ecuaţii Hamilton:

10

Page 10: REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT Doctorand, C …...1.2. Introducere: ’’O Istorie lungă pe scurt’’ Capitolul de faţă readuce problema descrierii materiei ca un organism. Redăm

|�̇� ≡ 𝐢 ∙ (𝒂|𝑥 + |𝑎3); 𝒊 ≡ (0 −11 0

) (1.26)

Vectorul din partea dreaptă a acestei ecuaţii este tangent la orbită, iar derivata

temporală se defineşte în raport cu un timp ales în mod adecvat. Are deci sens

să punem întrebarea simplă, pur newtoniană: care sunt orbitele coresunzătoare

aceluiaşi vector viteză? Ecuaţia (1.26) ne arată că ele sunt date de următoarea

ecuaţie diferenţială de legătură între parametrii orbitelor şi coordonatele

punctelor din plan care au aceeaşi viteză:

𝑑(𝒂|𝑥 + |𝑎3) = |0 ∴ |𝑑𝑥 + (𝒂−1𝑑𝒂)|𝑑𝑥 + 𝒂−1 |𝑑𝑎3 = |0 (1.27)

Ultima dintre aceste ecuaţii reprezintă un fel de “evoluţie geometrică” a

poziţiilor ce au acelaşi vector viteză. Rezultatul integrării ecuaţiei (1.27) ne va

da locul geometric al acelor puncte. Se poate vedea că evoluţia geometrică de-

a lungul acelui loc geometric este cantitativ dictată de variaţia coordonatelor

orbitelor. Să vedem un caz particular al acelui loc geometric

|∆t ∙ 𝑥(𝑡) = (𝑐ℎ 𝑡) (1 00 1

)|∆(0) ∙ 𝑥(0)+

+(𝑠ℎ 𝑡

𝑣0) (𝑢0 𝑢0

2 − 𝑣02

−1 −𝑢0) |∆(0) ∙ 𝑥(0) (1.36)

în condiţii iniţiale adecvate. Locul geometric al acestor puncte se poate obţine

prin eliminarea “timpului hiperbolic” 𝑡 dintre 𝑥 şi 𝑦. Evident că, dacă legea

ariilor este satisfăcută – ceea ce, de fapt constituie condiţia esenţială a

problemei Kepler caracteristice modelului – eliminarea lui 𝑡 duce la o spirală

logaritmică, definită până la o transformare proiectivă.

Punctele diferitelor orbite caracterizate de un acelaşi vector forţă urmează

un anumit loc geometric în planul mişcării. În condiţii speciale, ce includ pe

cele ale mişcărilor Kepleriene, acel loc geometric este o spirală logaritmică.

1.9. Spirala şi forţa ei caracteristică

Suntem îndreptăţiţi în a considera spirala o traiectorie legitimă a teoriei.

Totuşi, ea nu este o traiectorie dinamică veritabilă, aşa cum ne prezintă teoria

clasică acest concept, ci un loc geometric de tranziţie între orbitele dinamice,

aşa cum arată teoria cuantică. Cu alte cuvinte, chiar şi tranziţiile cuantice pot

fi descrise prin transformări clasice, însă între orbite, exact aşa cum au fost ele

concepute de către Bohr.

1.10. Un suplement referitor la sl (2, R)

Unghiul Hannay propriu-zis al problemei noastre, descoperit iniţial pentru

problema oscilatorului în planul fazelor, se dovedeşte că este totuşi un

instrument universal, în orice fel de probleme fizice legate de familii de conice

𝑑˄𝜔1 = 𝜔1˄𝜔2; 𝑑˄𝜔2 = −2𝜔3˄𝜔1 ; 𝑑˄𝜔3 = 𝜔2˄𝜔3 (1.40) Ecuaţiile (1.40) conduc la structura caracteristică pentru o algebră sl(2, R).

11

Page 11: REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT Doctorand, C …...1.2. Introducere: ’’O Istorie lungă pe scurt’’ Capitolul de faţă readuce problema descrierii materiei ca un organism. Redăm

1.11. Mesajul clasic propriu-zis

Modelul planetar reprezintă deci o simetrie reprezentată dinamic, prin

invarianţa la scală spaţială şi temporală, iar cuantificarea înseamnă de fapt

ruperea acestei simetrii. Forţa corespunzătoare ruperii simetriei este forţa

centrală invers proporţională cu puterea a treia a distanţei. Ea este, din punct

de vedere clasic, forţa centrală ce generează spiralele logaritmice.

Ele sunt vizibile în cazul galaxiilor, apoi ele sunt responsabile pentru procesul

de cuantificare.

1.12. Spirala ’’element’’ fundamental al tranziţiei nefractal-fractal

Întrucât în contextul anterior menţionat spirala joacă un rol fundamental să

o analizăm din punctul de vedere cel mai general de aşteptat: o “teorie’’ care

matematic se bucură fie de continuitate spaţială însă nu materială, fie de

continuitate materială, dar nu spaţială. Cel mai bun candidat pare a fi o teorie

fractală, în care continuitatea nu este neapărat însoţită de diferenţiabilitate.

Figura 1.1 Spirala în coordonate polare

Spirala are doar un singur punct fractalic şi acela este originea ei. Dintr-o

asemenea perspectivă spirala devine “elementul’’ fundamental al tranziţiei

nefractal-fractal: extinderea materiei în spaţiu şi a spaţiului în materie, ceea ce

implică faptul că este imposibil de a identifica reperul fizic cu cel matematic,

are ca finalitate nediferenţiabilitatea şi în particular şi fractalitatea (pentru

detalii se pot consulta referinţele [5] şi [6]).

1.13. Perspective

Prezentul capitol reprezintă o discuţie critică a mecanicii cuantice a atomului

de hidrogen, cu concluzia că ea este, mai degrabă, o continuare armonioasă a

12

Page 12: REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT Doctorand, C …...1.2. Introducere: ’’O Istorie lungă pe scurt’’ Capitolul de faţă readuce problema descrierii materiei ca un organism. Redăm

mecanicii clasice şi nu o rupere de acest mod de gândire.

Mai întâi analizăm problema mecanică, care este cât se poate de bine

definită: o problemă Kepler. În domeniul microscopic această problemă diferă

de varianta sa clasică doar prin faptul că lumina prevalează asupra fenomenului

gravitaţional, estompându-l. În varianta clasică gravitaţia este, din contra,

fenomenul exclusiv căruia trebuie să-i corespundă mişcarea descrisă de model.

Este deci logic să ne punem problema sub forma: sunt legile mecanicii valabile

ca atare şi în microcosmos? Curentul de gândire contemporană la modă – în

forma unor ramuri ale mecanicilor cuantică şi ondulatorie – are aici un răspuns

categoric negativ. Totuşi acest răspuns este cumva tautologic: el porneşte a

priori de la teza că mecanica clasică nu-i valabilă în microcosmos.

Punctul nostru de vedere este acela că, din contră, preceptele mecanicii

clasice sunt complet admisibile în microcosmos: aceasta este o teoremă

matematică – teorema lui Mariwalla – şi nu o ipoteză. Ea stipulează că modelul

clasic newtonian de descriere a mişcării este transcendent scalelor spaţială şi

temporală, cu condiţia ca forţa care domină mişcarea să fie cea de mărime

invers proporţională cu pătratul distanţei dintre punctul ce crează acea forţă şi

punctul ce se mişcă sub acţiunea ei. Cum de a fost atunci posibilă mecanica

cuantică?

Capitolul se concentrează asupra acestui punct, redând o analiză a lui Edwin

Wilson din 1924, ale cărei concluzii arată că, în ipotezele cuantice ale lui Niels

Bohr, forţa centrală responsabilă pentru mişcarea electronului în atom nu este

unică. Într-adevăr, dacă în cazul clasic, problema acestei mişcări poate fi decisă

de forţa centrală invers proporţională cu pătratul distanţei, postulatele cuantice

sunt expresia unei forţe în plus: o forţă centrală cu mărime invers proporţională

cu puterea a treia a distanţei.

Ajunşi la acest punct ne concentrăm asupra istoriei celor două forţe. Mai

întâi avem concluzia că Newton însuşi le cunoştea foarte bine. Luate separat

într-o problemă de mişcare ele conduc la rezultate esenţiale, redate de către

însuşi Newton în Principia. Anume, forţa invers proporţională cu pătratul

distanţei conduce la traiectoria eliptică a problemei Kepler clasice, în timp ce

forţa invers proporţională cu puterea a treia a distanţei conduce la spirale

logaritmice.

O analiză logică a acestei concluzii a lui Newton, din punctul de vedere al

filozofiei naturale clasice, ne duce la aceleaşi concluzii ca modelul clasic al

atomului de hidrogen: mai devreme sau mai târziu atomul se va distruge. Într-

adevăr, un electron ce se mişcă de-a lungul unei spirale logaritmice va sfârşi

inevitabil, fie prin a părăsi structura atomică, fie prin a fi înghiţit de nucleu,

concluzii în perfectă concordanţă cu epuizarea energetică a modelului planetar.

Prin urmare, în cadrul clasic, teoria fizică este în acord cu fenomenologia.

Deficienţa modelului bazat pe spirala logaritmică este însă aceea că, după

preceptele clasice, un asemenea atom nu poate fi stabil. Într-adevăr, stabilitatea

13

Page 13: REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT Doctorand, C …...1.2. Introducere: ’’O Istorie lungă pe scurt’’ Capitolul de faţă readuce problema descrierii materiei ca un organism. Redăm

clasică este judecată mai ales prin aceea că mişcarea descrisă de model trebuie

să aibă o traiectorie închisă, iar spirala logaritmică este, evident, o traiectorie

deschisă.

Bazaţi pe faptul că forţa invers proporţională cu puterea a treia a distanţei

rupe “simetria Mariwalla”, adică simetria fundamentală a sistemului clasic ce

descrie atomul, dar totuşi convinşi că gândirea cuantică trebuie să fie o

continuare logică a filozofiei naturale clasice, am căutat o explicaţie. Ea ne-a

parvenit prin duplicitatea condiţiei cuantice, care se referă, pe de o parte, la

acţiune, iar pe de altă parte la momentul cinetic, mărimi fizice de aceeaşi

natură, dacă este să le judecăm prin dimensiunile lor. Considerarea

momentului cinetic în problema cuantică a atomului de hidrogen are o istorie

aparte, ce duce, în primul rând, la îmbunătăţirea postulatului cuantic, începută

de Arnold Sommerfeld în 1916. Clasic vorbind, acea îmbunătăţire ia în

consideraţie rotaţia orbitelor ca întregi, subiect care însă nu i-a fost străin nici

lui Newton. El are aici rezultatul clasic esenţial că forţa centrală de mărime

invers proporţională cu puterea a treia a distanţei poate fi considerată mai

degrabă o forţă de tranziţie între orbitele eliptice.

La acest moment, ideea de “tranziţie între orbitele electronice” ne duce cu

gândul la postulatul lui Bohr, conform căruia lumina este datorată tranziţiei

dintre orbitele electronice. Acest capitol arată că ideea de cuantificare descrie

un fenomen universal al lumii în care trăim şi că tranziţia este cu totul naturală

în cadrul clasic: ea are loc între orbite electronice, cu condiţia să le descriem

aşa cum trebuie, adică printr-o problemă Kepler clasică în toată generalitatea

ei. Scoatem în evidenţă faptul că punctele spaţiale de tranziţie între orbite se

află totdeauna pe o spirală logaritmică. Demonstrăm că, din punctul de vedere

al luminii, aceasta este traiectoria pe care electronul nu emite câmp

electromagnetic. Aşadar, atât timp cât lumina este un fenomen

electromagnetic, nu există nici o discrepanţă între filozofia naturală clasică şi

cea cuantică, întrucât spirala logaritmică nu este traiectorie, ci loc geometric al

punctelor de tranziţie între orbite determinate de forţa invers proporţională cu

pătratul distanţei.

Din punctul de vedere al tehnicii de calcul, acest capitol scoate în evidenţă

valabilitatea universală a unghiului clasic al lui Hannay, ce are aici o

semnificaţie aparte: el descrie mişcarea centrului de forţă concordant cu

tranziţia cuantică de la orbită la orbită. Concluzia ne permite să sperăm că,

descriind mişcarea centrului de forţă ca pe un fenomen stohastic, vom putea

preciza, pe de o parte, tranziţia fizică de la haos la determinism în domeniul

microscopic. Pe de altă parte, ea ne deschide o cale matematică pentru

introducerea fractalităţii – fenomen ce pare evident în lumea noastră chiar şi la

nivelul simţurilor obişnuite – în descrierea fenomenelor naturale.

14

Page 14: REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT Doctorand, C …...1.2. Introducere: ’’O Istorie lungă pe scurt’’ Capitolul de faţă readuce problema descrierii materiei ca un organism. Redăm

Capitolul II

Relativitatea de scală în dimensiune fractală arbitrară constantă pe

varietăți tridimensionale

2.1. Scop

În prezentul capitol vom construi o teorie a mișcării dependentă atât de

coordonate spațiale și temporale cât și de scala de rezoluție. Ipoteza

fundamentală pe care aceasta este construită este faptul că unitățile structurale

ale ale unui sistem complex [7-10] se deplasează pe curbe continue și

nediferențiabile într-o varietate tridimensională. Atunci coordonatele spațiale

sunt fractali iar timpul nu este un fractal, fiind asimilat parametrului afin al

curbei de mișcare. Mai mult, scala de rezoluție 𝛿𝑡 se identifică prin principiul

substituției cu diferențiala temporală 𝑑𝑡, 𝛿𝑡 ≡ 𝑑𝑡 ceea ce face ca aceasta să

devină o variabilă independentă de mișcare.

Într-un asemenea cadru s-au obținut ecuațiile geodezice și de aici, în

reprezentarea prin funcție de undă, varianta Schrödinger a lor, iar în

reprezentarea Madelung varianta hidrodinamică a lor. În final am prezentat

câteva aplicații precum generarea elementelor de logică fractală, efectul de

memorizare, ”anomalii” în nanostructuri, mimarea efectului Hubble,

comportamente ale plasmei de ablație, etc.

Vom prezenta pe scurt câteva dintre aplicațiile mai sus menționate.

2.7. Ruperea spontană de simetrie la scală fractală. Topologie fractală

şi elemente de logică fractală Dacă reconsiderăm setul de ecuații al hidrodinamicii fractale și considerăm

o expresie adecvată pentru potențialul fractal, se arată că în cazul staționar

dinamicile unui sistem complex în variabile adimensionale sunt descrise de o

ecuație fractală de tip Ginzburg-Landau:

𝑑2𝑓

𝑑𝜉2= 𝑓3 − 𝑓 (2.71)

Soluţia de energie finită este o soluție kink fractală căreia i se poate asocia

o topologie specială. Astfel soluţia kink fractală poate fi obţinută ca o mapă a

unei sfere zero - dimensionale, S0, luată la infinit pe vidul fractal dublu

degenerat indus de ecuaţia (2.71). Grupul homotopic fractal corespunzător

acestui model este ∏0𝑘(𝛧0𝑘) = 𝑍2𝑘 , aşa încât modelul admite două soluţii:

soluţia constantă și soluţia kink fractală.

Sarcina topologică fractală asociată este:

𝑞 =1

2∫ 𝑗(𝜉)𝑑𝜉 =

1

2

+∞

−∞

∫𝑑𝑓

𝑑𝜉

+∞

−∞

𝑑𝜉 =1

2[𝑓(+∞) − 𝑓(−∞)] (2.81)

Soluţia de vid fractală (absența gradienţilor spaţiali) şi soluţia kink fractală

pot fi caracterizate prin sarcina topologică q = 0, respective q = 1, rezultat

15

Page 15: REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT Doctorand, C …...1.2. Introducere: ’’O Istorie lungă pe scurt’’ Capitolul de faţă readuce problema descrierii materiei ca un organism. Redăm

obţinut printr-o normalizare adecvată a lui f. Se pune astfel în evidenţă un

sistem fizic fractal cu două stări posibile una corespunzătoare sarcinii

topologice q = 0 şi alta corespunzătoare sarcinii topologice q = 1.

Vom numi un asemenea sistem bitul fractal. Cele două stări sunt folosite

pentru a reprezenta 0(dt) și 1(dt), adică un singur digit binar fractal. Singurele

operaţii posibile (porţi fractale) ale unui astfel de sistem sunt identitatea

fractală:

0(dt) → 0(dt), 1(dt) → 1(dt)

și NOT-ul fractal

0(dt) → 1(dt) , 1(dt) → 0(dt)

Atât bitul fractal cât şi porţile fractale definesc elementele fundamentale ale

logicii fractale.

2.8. Efect de memorizare şi anomalii în nanostructuri

Acum din ecuaţia (2.71) potenţialul fractal normalizat devine:

𝑄 = −1

𝑓

𝑑2𝑓

𝑑𝜉2= (1 − 𝑓2)

ceea ce specifică faptul că acesta este direct proporţional cu densitatea de stări

a fluidului fractal. Când densitatea de stări fractale este 𝑓2 ≡ 0, adică în

absenţa ruperii spontane de simetrie a stării de vid fractale, potenţialul fractal

ia valoarea 𝑄= 1 iar fluidul fractal este incoerent (stare fractală normală). Când

densitatea de stări fractale este 𝑓2 ≡ 1, adică în prezenţa ruperii spontane de

simetrie a stării de vid fractale, potenţialul fractal ia valoarea 𝑄 ≡ 0 iar fluidul

fractal se autostructurează sub formă de perechi fractale de tip Cooper. Într-un

asemenea context putem presupune că întreaga energie a fluidului fractal poate

fi stocată prin ruperea spontană de simetrie a stării de vid fractale sub forma

perechilor fractale de tip Cooper. Astfel, prin autostructurarea fluidului fractal

sub formă de perechi fractale de tip Cooper se poate induce în acesta un efect

de memorizare prin “jocul” comportamentului coerent-incoerent al fluidului

fractal.

Mai departe, prin substituirea soluţiei de energie finită în expresia

potenţialului fractal se obţine solitonul

𝑄 =1

𝑐ℎ2 [1

√2(𝜉 − 𝜉0)]

ceea ce specifică funcţionalitatea acestuia ca dilaton (cvasiparticulă ce

absoarbe “energie” până la o valoare critică după care o eliberează mediului -

pentru detalii se pot consulta referinţele [11-13]).

În opinia noastră prezenţa dilatonilor în nanostructuri pot explica

“anomaliile” în nanostructuri precum anomalia termică a nanofluidelor

(creştereaconductivităţii termice [14]) sau cea a conductivităţii electrice [15].

16

Page 16: REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT Doctorand, C …...1.2. Introducere: ’’O Istorie lungă pe scurt’’ Capitolul de faţă readuce problema descrierii materiei ca un organism. Redăm

2.9. Particula liberă în hidrodinamica fractală. Mimarea efectului

Hubble

Utilizând ecuaţiile hidrodinamicii fractale am arătat că orice unitate

structurală a unui sistem complex este caracterizată de o viteză specifică şi o

densitate de stări spaţio-temporală Gaussiană.

În particular, pentru câmpul de viteze al particulei am obţinut expresia:

𝑉 =𝑉0𝛼

2 + 𝜆2(𝑑𝑡)(4/𝐷𝐹)−2(𝑡𝑥/𝛼2 )

𝛼2 + 𝜆2(𝑑𝑡)(4/𝐷𝐹)−2(𝑡/𝛼)2 (2.96)

unde mărimile ce intervin au semnificaţia dată în lucrarea extinsă.

Acum să admitem ipoteza că la scală cosmologică putem identifica materia

neagră a Universului (pentru detalii se pot consulta referinţele [16,17]) cu

mediul fractal. Un asemenea rezultat este în acord cu modelele actuale de

cosmologie fractală. Asupra consecinţelor ce le implică o asemenea ipoteză se

poate consulta si referinţa [2].

Atunci, în limita asimptotică (𝜆/𝛼)2(𝑑𝑡)(4/𝐷𝐹)−2 → ∞ situaţie fizică

realizabilă la timpi t→T, adică de ordinul vârstei Universului, ecuaţia (2.96)

induce legea de tip Hubble:

𝑉 →𝑥

𝑇 (2.99)

În opinia noastră efectul nu este real. Cel mult putem afirma că materia

neagră mimează la scală cosmologică acest efect. Un asemenea rezultat nu este

singular, el este compatibil cu cel prezentat în referinţa [2]. Mai mult, afirmăm

că prin trecerea fractal-nefractal, ceea ce ar putea corespunde limitei asiptotice

mai sus menţionate se mimează efectul Hubble.

2.11. Perspective

S-a fundamentat teoria relativităţii de scală în dimensiune fractală arbitrară

constantă atât în forma ecuaţiei de tip Schrödinger, ceea ce este specific

interpretării probabilistice, cât şi în forma ecuaţiilor hidrodinamicii fractale,

ceea ce este specific proceselor de curgere. În varianta hidrodinamică a

relativităţii de scală s-a analizat ruperea spontană de simetrie cu

specificacitatea ei, elemente de logică fractală, efectul de memorizare şi

anomalia conductivităţii electrice în nanostructuri, particula liberă cu mimarea

efectului Hubble prin intermediul materiei negre şi dinamici în plasme de

ablaţie.

17

Page 17: REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT Doctorand, C …...1.2. Introducere: ’’O Istorie lungă pe scurt’’ Capitolul de faţă readuce problema descrierii materiei ca un organism. Redăm

Capitolul III

Relativitatea de scală în dimensiune fractală arbitrară constantă pe o

varietate spaţiu-timp

3.1. Scop

Analizând mișcarea unei particule pe o curbă continuă dar nediferențiabilă

(curbă fractală) pe o varietate Euclidiană tridimensională observăm o

’’discrepanță’’ între coordonatele spațiale și coordonata temporală considerată

parametru afin al curbei de mișcare. Dacă coordonatele spațiale sunt fractali,

nu același lucru se poate afirma despre coordonata timp care nu este un fractal.

Această ’’discrepanță’’ are o consecință ’’aparent anormală’’ imediată:

particula se deplasează pe o curbă de lungime infinită într-un interval finit de

timp astfel încât viteza acesteia devine infinită. Ori o asemenea situație este

fizic absurdă.

Pentru a elimina această ’’aparentă contradicție’’ vom presupune că și

coordonata temporală este un fractal (pentru detalii se pot consulta referințele

[1-2,18-21]). Atunci toate implicațiile nediferențiabilității din teoria clasică a

Relativității de Scală în dimensiune fractală arbitrară constantă rămân valabile,

cu diferența că parametrul afin al 4-curbei de mișcare este timpul propriu 𝜏. Într-un asemenea context prezentul capitol are ca scop analiza de dinamici

fractale pe varietăți spațiu-timp, ceea ce implică doar construcția unei teorii de

scală în dimensiune fractală constantă pe o varietate spațiu-timp. Nu am avut

în vedere o aplicație concretă a teoriei.

3.5. Ecuația fractală de tip Klein-Gordon

Astfel, dacă câmpul complex de 4-viteze este irotațional, prin derivarea și

integrarea ecuației geodezicelor se obține ecuația fractală de tip Klein- Gordon:

𝜕𝜇𝜕𝜇 𝛹 +

1

Λ̅2 𝛹 = 0 (3.41)

cu condiționarea

Λ̅ = Λ̅0(𝑑𝜏)(2/𝐷𝐹)−1 , Λ̅0 =

𝜆

𝜔 (3.42)

În cazul particular al mișcărilor pe curbe Peano, la scală Compton se obține

ecuația Klein-Gordon standard:

𝜕𝜇𝜕𝜇𝛹 + (

𝑚0𝑐

)

2

𝛹 = 0 (3.43)

Într-un asemenea context, existența unui factor de fază constant nenul,

printr-o alegere convenabilă a fazei lui 𝛹, specifică existența unei viteze critice

𝜔. Aceasta poate fi identificată cu viteza c a luminii numai printr-o

extrapolare, de altfel nefirească, a fenomenelor electromagnetice la celelalte

tipuri de interacțiuni. Probabil aceasta este și cauza profundă de ce în

18

Page 18: REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT Doctorand, C …...1.2. Introducere: ’’O Istorie lungă pe scurt’’ Capitolul de faţă readuce problema descrierii materiei ca un organism. Redăm

explicitarea dinamicilor la nanoscală trebuie să impunem ca viteză critică

viteza Fermi 𝑣𝐹 (viteza maximă a electronilor la temperatura de 0K), adică

𝜔 ≡ 𝑣𝐹, păstrând totuși invarianța de tip Lorentz (pentru detalii se pot consulta

referințele [22-25]).

3.7. Energia și masa proprie fluctuantă generalizată

Tot din modelul nostru rezultă că expresia energiei se scrie sub forma:

𝐸 = ±𝑐[(𝑚0𝑐)2 + 𝒑𝟐 − 2𝜆𝑚0

2(𝑑𝜏)(2/𝐷𝐹)−1𝜕𝜏𝑆 + 2𝑚02𝑄]

1/2≡

≡ ±𝑐 [(𝑚0𝑐)2 + 𝒑𝟐 − 2𝜆𝑚0

2(𝑑𝜏)(2/𝐷𝐹)−1𝜕𝜏𝑆

+ (𝑚0𝜆)2 (𝑑𝜏)(4/𝐷𝐹)−2

□√𝜌

√𝜌]

1/2

(3.62)

Așadar energia este o mărime dependentă de scala de rezoluție, fie prin

potențialul fractal, fie prin 4-câmpul de viteze fractale, fie prin densitatea de

stări.

În cazul mișcărilor pe curbe de tip Peano la scală Compton, relația (3.62)

devine:

𝐸 = ±𝑐 [(𝑚0𝑐)2 + 𝒑𝟐 − 2 𝑚0𝜕𝜏𝑆 +

2 □√𝜌

√𝜌]

1/2

(3.63)

și de aici pentru 𝒑 ≡ 0, 𝐸 ≡ 𝑀0𝑐2 și 𝜕𝜏𝑆 ≡ 0 se obține ’’masa proprie

fluctuantă’’ din teoria lui de Broglie [26-28]

𝑀0 = ±[𝑚02 + (

𝑐)

2

□√𝜌

√𝜌]

1/2

(3.64)

Dacă acum acceptăm funcționalitatea unei relații de tipul (3.64) atunci prin

(3.62) pentru 𝒑 ≡ 0 se obține ’’masa proprie fluctuantă generalizată’’ 𝑀𝑔0 sub

forma:

𝑀𝑔0 = ± {𝑚02 [1 −

2𝜆

𝑐2(𝑑𝜏)(2/𝐷𝐹)−1𝜕𝜏𝑆] + 2 (

𝑚0

𝑐)2

𝑄}1/2

19

Page 19: REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT Doctorand, C …...1.2. Introducere: ’’O Istorie lungă pe scurt’’ Capitolul de faţă readuce problema descrierii materiei ca un organism. Redăm

≡ ±{𝑚02 [1 −

2𝜆

𝑐2 (𝑑𝜏)(2/𝐷𝐹)−1] + (

𝑚0𝜆

𝑐)2

(𝑑𝜏)(4/𝐷𝐹)−2□√𝜌

√𝜌}

1/2

(3.65)

3.8. Perspective

Considerațiile anterioare implică următoarele:

i) Pe o varietate spațiu-timp orice unitate structurală a unui sistem complex

este într-o permanentă interacție cu un mediu fractal prin intermediul

potențialului fractal specific;

ii) Pe o varietate spațiu-timp mediul fractal se identifică cu un fluid fractal

descris de legile de conservare ale 4-impulsului și cea a densității de stări;

iii) Potențialul fractal specific este indus de 4-viteza fractală. Deși 4-viteza

fractală nu definește mișcarea mecanică curentă, totuși ea contribuie la

transferul de impuls și de energie;

iv) Pe o varietate spațiu-timp orice interpretare a potențialului fractal trebuie

să evidențieze natura ’’autointeractivă’’ a transferului de 4-impuls. În timp ce

local, în 𝐸3, energia este ’’stocată’’ sub formă cinetică, potențială etc., așa cum

se întâlnește de regulă în cazul clasic, doar totalul se conservă. Așa încât,

negând orice formă de mișcare Browniană ca rezultat al interacției cu mediul

exterior, legile de conservare ale energiei și momentului specific asigură

reversibilitate și ’’ființare’’;

v) Modelul permite generalizarea relației lui Einstein de definire a energiei

atât prin existența unei viteze critice impusă de scala de rezoluție cât și prin

prezența potențialului fractal ca o măsură a haoticității unui sistem,

caracteristică specificată de nediferențiabilitatea curbelor de mișcare;

Capitolul IV

Tranziții de tip ordine-haos în plasme de descărcare via

nediferențiabilitate.

Investigații experimentale și teoretice

4.1. Scop

În acest capitol sunt prezentate rezultate experimentale care ilustrează

competiția între trei scenarii de tranziție spre haos (intermitență,

cvasiperiodicitate și cascadă de bifurcații subarmonice) într-un sistem cu

plasmă în care există ’’o minge de foc ’’ în stare dinamică. Mai mult, este

dezvoltat un model teoretic în cadrul teoriei relativității de scală, diferitele căi

de evoluție spre haos fiind obținute prin aplicarea formalismului de ’’clonare’’

totală și fracționară. Rezultatele obținute din acest model teoretic sunt în bună

concordanță cu cele experimentale.

20

Page 20: REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT Doctorand, C …...1.2. Introducere: ’’O Istorie lungă pe scurt’’ Capitolul de faţă readuce problema descrierii materiei ca un organism. Redăm

4.2. Introducere

Plasma este un sistem dinamic puternic neliniar, cu multe grade de libertate,

foarte favorabil pentru dezvoltarea unor instabilități sau tranziții de la stări

ordonate spre stări haotice de dimensiune mică sau mare. Astfel, în sistemele

cu plasmă s-a observat experimental o mare varietate de scenarii de tranziție

spre haos: intermitențe [29,30], dublare de perioadă (scenariu Feigenbaum)

[31,32], cvasiperiodicitate (scenariu Ruelle-Takens) [33,34], străpungerea

torului [35] sau cascadă de bifurcații subarmonice [36,37]. Haosul a fost

identificat prin analiza seriilor temporale corespunzătoare curentului de

descărcare [29,32,33], potențialului flotant al unei sonde [31], curentului

colectat de un electrod polarizat pozitiv introdus în plasmă [30,35,37],

perturbațiilor de temperatură [34] sau intensitate luminoasă [36].

În multe cazuri experimentale, tranziția spre haos a sistemului cu plasmă a

fost asociată cu dinamica neliniară a unei structuri complexe de sarcini spațiale

ce se dezvoltă în plasmă sub forma unei ’’mingi de foc’’ [30,35,37]. ’’Mingile

de foc’’ sunt structuri aproximativ sferice, intens luminoase, ce apar în plasmă,

alcătuite dintr-un miez pozitiv (o plasmă îmbogățită în ioni), confinat de un

strat dublu electric [38-40]. Căderea de potențial pe stratul dublu este

aproximativ egală cu potențialul de ionizare al atomilor gazului.’’ Mingile de

foc’’ apar la o valoare critică a tensiunii aplicate pe electrodul de excitare. La

valori mai mari ale tensiunii aplicate, ’’mingea de foc’’ trece într-o stare

dinamică, care constă în disrupții și reagregări periodice ale stratului dublu,

dând naștere unor oscilații ale curentului colectat de către electrod [40-42].

Întrucât nediferențiabilitatea apare ca o proprietate universală a acestui tip de

sisteme, este necesar să construim o fizică nediferențiabilă [43,44]. În acest

context, considerând că nediferențiabilitatea înlocuiește complexitatea

interacțiunilor din plasmă, nu mai este necesar să utilizăm întregul ’’arsenal”

clasic de mărimi din fizica standard. Un astfel de model, care tratează

interacțiunile din plasmă în maniera descrisă mai sus, a fost dezvoltat în cadrul

teoriei relativității de scală (TRS) [37,40,45,46].

În abordarea TRS spațiul devine fractal [47-52]. Efectele induse asupra

mișcării de către structura fractală internă a geodezicelor [47-49] conduc la

transformarea mecanicii clasice într-o mecanică de tip cuantic, adică

transformă ecuația fundamentală a lui Newton într-o ecuație de tip Schrödinger

[47,48]. În acest caz, se obțin soluțiile fundamentale ale acestei ecuații de tip

cuantic macroscopic, care sunt adaptate la o categorie largă de situații fizice

[37,40,45,46].

4.3. Rezultate experimentale Experimentele au fost realizate într-o diodă cu plasmă cu catod cald,

reprezentată schematic în figura 4.1.

21

Page 21: REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT Doctorand, C …...1.2. Introducere: ’’O Istorie lungă pe scurt’’ Capitolul de faţă readuce problema descrierii materiei ca un organism. Redăm

Fig.4.1 . Schița aranjamentului experimental

Plasma se obține printr-o descărcare electrică între filamentul incandescent

cu rol de catod și pereții incintei de descărcare cu rol de anod. Densitatea

plasmei poate fi modificată prin variația curentului de descărcare. Plasma este

îndepărtată de echilibru prin creșterea treptată a potențialului aplicat pe un

electrod de tantal în formă de disc, cu diametrul de 1 cm, în următoarele

condiții experimentale: presiunea argonului p = 710-3 mbar, densitatea

plasmei npl 108-109 cm-3 și temperatura electronilor kTe = 2 eV.

Crescând potențialul aplicat pe electrodul suplimentar E, la o valoare critică

a acestuia (VE = 85 V), în fața electrodului apare brusc ’’o minge de foc’’

aproximativ sferică, intens luminoasă (vezi fotografia din figura 4.2).

Fig. 4.2. Fotografie a ’’mingii de foc’’ înregistrată la valoarea tensiunii aplicate pe electrodul suplimentar VE = 85 V

Datorită condițiilor experimentale, ’’mingea de foc’’ apare direct în stare

dinamică [53] , fapt evidențiat de existența oscilațiilor curentului colectat de

către electrodul suplimentar E, cu o frecvență de aproximativ 6.7 kHz.

22

Page 22: REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT Doctorand, C …...1.2. Introducere: ’’O Istorie lungă pe scurt’’ Capitolul de faţă readuce problema descrierii materiei ca un organism. Redăm

(a) (b) (c)

Fig. 4.3.1. Seriile temporale corespunzătoare oscilațiilor curentului colectat de către electrodul E, transformatele lor Fourier rapide (FFT) și respectiv, spațiul stărilor

reconstruit al dinamicii sistemului cu plasmă pentru VE = 85 V

Creșterea în continuare a potențialului aplicat pe electrod peste valoarea

critică VE = 101 V conduce la apariția de intermitențe.

(a) (b) (c)

Fig. 4.3.2. Seriile temporale corespunzătoare oscilațiilor curentului colectat de către

electrodul E, transformatele lor Fourier rapide (FFT) și respectiv, spațiul stărilor reconstruit al dinamicii sistemului cu plasmă pentru

VE = 101 V

La VE = 112 V, în dinamica sistemului cu plasmă apar bifurcații

subarmonice, acestea fiind identificate în spectrul FFT al oscilațiilor de curent,

unde se observă subarmonicele f0/3 și 2f0/3 ale frecvenței fundamentale (vezi

figurile 4.3.6 a-c).

23

0 1 2 3 4 5

-8

-4

0

4

8

Curr

ent (m

A)

Time (ms)

VE = 85 V

0 10 20 30 40 50

0

5

10

15

20

25

30

35

VE = 85 V

Frequency (kHz)

FF

T (

a.u

.)

0 1 2 3 4 5

-6

-3

0

3

6

9 VE = 101 V

Curr

ent (m

A)

Time (ms)

0 10 20 30 40 50

0

5

10

15

20

25

30 VE = 101 V

Frequency (kHz)

FF

T (

a.u

.)

Page 23: REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT Doctorand, C …...1.2. Introducere: ’’O Istorie lungă pe scurt’’ Capitolul de faţă readuce problema descrierii materiei ca un organism. Redăm

(a) (b) (c)

Fig. 4.3.6. Seriile temporale corespunzătoare oscilațiilor curentului colectat de către

electrodul E, transformatele Fourier rapide (FFT) și respectiv, spațiul stărilor reconstruit al dinamicii sistemului cu plasmă pentru VE = 112 V

La valoarea VE = 113 V, începe un proces de tranziție spre haos prin

cvasiperiodicitate, identificat de asemenea în spectrul FFT al oscilațiilor de

curent, unde sunt prezente mai multe peak-uri corespunzătoare unor frecvențe

aflate în raport incomensurabil (vezi figurile 4.3.7 a-c).

(a) (b) (c)

Fig. 4.3.7. Seriile temporale corespunzătoare oscilațiilor curentului colectat de către

electrodul E, transformatele lor Fourier rapide (FFT) și respectiv, spațiul stărilor reconstruit al dinamicii sistemului cu plasmă pentru

VE = 113 V

Imediat după aceasta, la VE = 114 V, bifurcațiile subarmonice apar din nou,

putându-se observa în spectrul FFT al oscilațiilor de curent peak-uri

corespunzătoare frecvențelor kf0 /7, unde k = 1-6 (vezi figurile 4.3.8 a-c).

24

0.0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5

-2

-1

0

1

2 VE = 112 V

Cu

rre

nt

(mA

)

Time (ms)

0 20 40 60 80 100

0

2

4

6

8

2f0/3

f0/3

VE = 112 V

Frequency (kHz)

FF

T (

a.u

.)

f0

0 20 40 60 80 100

0

1

2

3

4V

E = 113 V

Frequency (kHz)

FF

T (

a.u

.)

0.0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5

-1

0

1

VE = 113 V

Cu

rre

nt

(mA

)

Time (ms)

Page 24: REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT Doctorand, C …...1.2. Introducere: ’’O Istorie lungă pe scurt’’ Capitolul de faţă readuce problema descrierii materiei ca un organism. Redăm

(a) (b) (c)

Fig. 4.3.8. Seriile temporale corespunzătoare oscilațiilor curentului colectat de către

electrodul E, transformatele lor Fourier rapide (FFT) și respectiv, spațiul stărilor reconstruit al dinamicii sistemului cu plasmă pentru

VE = 114 V

4.4. Model teoretic

4.4.1. Ecuația de mișcare

Dinamica plasmei de descărcare poate fi simplificată presupunând că

particulele plasmei se deplasează pe curbe continue dar nediferențiabile, adică

curbe fractale (de exemplu: curba Koch, curba Peano sau curba Weierstrass

[55,56]).

Odată acceptată această ipoteză, sunt evidente unele consecințe ale

nediferențiabilității prin intermediul TRS [47,48,50-52]:

i)Mărimile fizice care descriu dinamica plasmei de descărcare sunt funcții

fractale, adică funcții care depind atât de cooronatele spațiale și temporală, cât

și de rezoluția de scală, δt/τ (identificată aici cu dt/τ prin principiul substituției

[47,48]).

ii)Dinamica plasmei de descărcare este dată de către operatorul fractal [50-52]

�̂�

𝑑𝑡=𝜕

𝜕𝑡+ �̂� ∙ ∇ − 𝑖

𝜆2

2(𝑑𝑡

𝜏)

(2/𝐷𝐹)−1

∆ (4.1)

Aplicând operatorul fractal vitezei complexe și acceptând o generalizare a

principiului lui Newton sub forma:

�̂��̂�

𝑑𝑡= −∇𝑈 (4.3)

unde U este un potențial scalar extern, se obține ecuația geodezicelor:

�̂��̂�

𝑑𝑡=𝜕�̂�

𝜕𝑡+ (�̂�∇)�̂� − 𝑖

𝜆2

𝜏(𝑑𝑡

𝜏)

(2/𝐷𝐹)−1

∆�̂� + ∆𝑈 = 0 (4.4)

Ecuația (4.4) este o ecuație de tip Navier – Stokes. Plasma de descărcare este

asimilată unui fluid “reologic”, a cărui dinamică este descrisă de câmpul

complex de viteze și de coeficientul de vâscozitate imaginar. “Reologia”

fluidului oferă plasmei proprietăți histeretice (plasma prezintă ciclu de

histerezis, memorie, etc. [30,35,45]).

25

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6 VE = 114 V

Cu

rre

nt

(mA

)

Time (ms)

0 10 20 30 40 50

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

5f0/7

2f0/7

f0/7

f0 V

E = 114 V

Frequency (kHz)

FF

T (

a.u

.)

Page 25: REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT Doctorand, C …...1.2. Introducere: ’’O Istorie lungă pe scurt’’ Capitolul de faţă readuce problema descrierii materiei ca un organism. Redăm

4.4.2. Haoticitate prin turbulență și stohasticitate via

nediferențiabilitate

Pentru mișcări irotaționale ale particulelor plasmei

�̂� = − 𝑖𝜆2

𝜏(𝑑𝑡

𝜏)

(2/𝐷𝐹)−1

∇ ln𝛹 (4.6)

Prin derivarea și integrarea acestei relații obținem o ecuație de tip Schrödinger

𝜆4

𝜏2(𝑑𝑡

𝜏)

(4/𝐷𝐹)−2

∆𝛹 + 𝑖𝜆2

𝜏(𝑑𝑡

𝜏)

(2/𝐷𝐹)−1 𝜕𝛹

𝜕𝑡−𝑈

2 𝛹 = 0 (4.8)

Ecuațiile

𝜕𝑽

𝜕𝑡+ (𝑽𝐷 ∙ ∇)𝑽𝐷 = −∇(𝑄 + 𝑈) (4.12)

𝜕𝜌

𝜕𝑡+ ∇ ∙ (𝜌𝑽𝐷) = 0 (4.13)

reprezintă legea de conservare a impulsului, respectiv legea de conservare a

densității, unde 𝑄 este potențialul fractal specific

𝑄 = −2𝜆4

𝜏2(𝑑𝑡

𝜏)

(4/𝐷𝐹)−2 ∆√𝜌

√𝜌= −

𝑽𝐹2

2−𝜆2

𝜏(𝑑𝑡

𝜏)

(2/𝐷𝐹)−1

∇ ∙ 𝑽𝐹 (4.14)

El este o măsură a nediferențiabilității traiectoriilor particulelor plasmei, adică

a haoticității lor.

Ecuațiile (4.12) - (4.14) definesc hidrodinamica fractală. În acest context,

plasma este asimilată unui fluid fractal.

Formalismul hidrodinamicii fractale și cel al ecuației de tip Schrödinger sunt

echivalente. Mai mult, haoticitatea este generată doar de nediferențiabilitatea

traiectoriei de mișcare într-un spațiu fractal, fie prin turbulență din perspectiva

hidrodinamicii fractale, fie prin stohasticitate în abordarea de tip Schrödinger.

4.4.3. Clonare totală și fracționară a funcţiei de undă pentru o groapă

dreptunghiulară unidimensională. Criterii de evoluție spre haos

Groapă dreptunghiulară unidimensională

Să considerăm că potențialul aplicat pe un electrod introdus în plasmă

simulează un sistem de tip groapă dreptunghiulară unidimensională.

Prin rezolvarea ecuației de tip Schrödinger independentă de timp, se obțin

valorile proprii fractale discrete

𝐸𝑛 = 2𝑚0𝐷2 (𝑛𝜋

𝑎)2

(4.15. a)

𝐷 =𝜆2

𝜏(𝑑𝑡

𝜏)

(2/𝐷𝐹)−1

(4.15. b)

26

Page 26: REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT Doctorand, C …...1.2. Introducere: ’’O Istorie lungă pe scurt’’ Capitolul de faţă readuce problema descrierii materiei ca un organism. Redăm

și funcțiile proprii fractale

𝑛=

{

(2

𝑎)

12sin (

𝑛𝜋𝑥

𝑎) , 𝑛 𝑝𝑎𝑟

(2

𝑎)

12cos (

𝑛𝜋𝑥

𝑎) , 𝑛 𝑖𝑚𝑝𝑎𝑟

(4.16)

4.4.4. Scale temporale

Scale temporale ale evoluției potențialului vitezei

𝑇𝛼 =2𝜋𝑚0𝐷

�̅�𝐸1 (4.19)

și

𝑇𝛽 =4𝜋𝑚0𝐷

𝐸1 (4.20)

Trebuie remarcat faptul că scala temporală 𝑇𝛽 nu depinde de nivelul

energetic mediu �̅�. Aceasta va furniza o scală de timp “ niversală” pentru

descrierea evoluției potențialului vitezei, care nu depinde de energia medie a

particulei.

4.4.5. Evoluții în timp

Funcţia de undă 𝛹 a unei particule la t = 0, într-o groapă dreptunghiulară

infinită poate fi scrisă sub forma

𝛹(𝑥, 𝑡 = 0) = 𝛹𝑖(𝑥) (4.21) Folosind scala temporală 𝑇𝛽 , evoluția în timp 𝛹(𝑥, 𝑡) utilizând ca bază

funcţiile proprii fractale se determină din ecuația de tip Schrödinger, găsindu-

se:

𝛹(𝑥, 𝑡) =∑𝑒𝑥𝑝 [−2𝜋𝑖 (𝑡

𝑇𝛽)𝑛2]

𝑛

𝑐𝑛𝑛(𝑥) (4.24)

4.4.6. Mimarea criteriilor de evoluție spre haos

Aplicăm formalismul de ’’clonare’’ totală și fracționară. Astfel, ’’clonarea’’

totală și fracționară a lui 𝛹 pentru o particulă situată într-o groapă

dreptunghiulară infinită implică fie

𝛹(𝑥, 𝑡 = 𝑡0 + 2𝑘𝑇𝛽) = 𝛹(𝑥, 𝑡 = 𝑡0) (4.25)

pentru ’’clonarea’’ totală, fie

𝛹 (𝑥, 𝑡0 +𝑝

𝑞𝑇𝛽)= 𝛹(𝑥, 𝑡 = 𝑡0) (4.26)

pentru ’’clonarea’’ fracţionară. În fiecare dintre situațiile de mai sus, se pot

introduce criteriile de tip Reynolds

𝑅𝑒𝐹 =𝑉𝐹𝐿𝐹𝑣𝐹

= 2𝑘 (4.27)

27

Page 27: REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT Doctorand, C …...1.2. Introducere: ’’O Istorie lungă pe scurt’’ Capitolul de faţă readuce problema descrierii materiei ca un organism. Redăm

și

𝑅𝑒𝑆𝐴 =𝑉𝑆𝐴𝐿𝑆𝐴𝑣𝑆𝐴

=𝑝

𝑞 (4.28)

unde mărimile

𝐸1 ≡ 𝐸𝐹/𝑆𝐴 =1

2𝑚0𝑉𝐹/𝑆𝐴

2 (4.29. a)

𝐿𝐹/𝑆𝐴 = 𝑉𝐹/𝑆𝐴𝑇𝐹/𝑆𝐴 (4.29. b)

𝑣𝐹/𝑆𝐴 = 8𝜋𝜆2

𝜏(𝑑𝑡

𝜏)

(2/𝐷𝐹)−1

(4.29. c)

au semnificațiile obișnuite din mecanica fluidelor. Plasma de descărcare

devine turbulentă peste o valoare critică 𝑅𝑒𝐹/𝑆𝐴𝑐 . În acest caz, prin 𝑇𝐹/𝑇𝛽 = 2

𝑘

și 𝑅𝑒𝐹 = 𝑉𝐹𝐿𝐹/𝑣𝐹 = 2 este simulat formal criteriul de evoluție spre haos prin

scenariul Feigenbaum (cascadă de bifurcații cu dublare de perioadă), în timp

ce prin 𝑇𝛽/𝑇𝑆𝐴 = 𝜔𝑆𝐴/𝜔𝛽 = 𝑞/𝑝 cu 𝑝 > 𝑞 și 𝑅𝑒𝑆𝐴 = 𝑉𝑆𝐴𝐿𝑆𝐴/𝑣𝑆𝐴 = 𝑝/𝑞 este

simulat criteriul de evoluție spre haos prin cascadă de bifurcații subarmonice.

’’Clonarea’’ fracționară a funcţiei de undă poate fi extinsă și pentru

potențialul de tip groapă dreptunghiulară infinită utilizând o ecuație de tip

Schrödinger fracționară. În acest caz, pentru 𝑡 = 𝑇𝑅𝑇 = (𝑝/𝑞)𝛼𝑇𝛽 de forma

(𝜔𝑅𝑇/𝜔𝛽) = (𝑝/𝑞)𝛼 cu 1 < 𝛼 < 2, 𝑝 > 𝑞 şi 𝑝, 𝑞 valori întregi, numărul

Reynolds poate fi introdus de forma

𝑅𝑒𝑅𝑇 =𝑉𝑅𝑇𝐿𝑅𝑇𝑣𝑅𝑇

= (𝑝

𝑞)𝛼

(4.30)

unde

𝐸1 ≡ 𝐸𝑅𝑇 =1

2𝑚0𝑉𝑅𝑇

2 (4.31. a)

𝐿𝑅𝑇 = 𝑉𝑅𝑇𝑇𝑅𝑇 (4.31. b)

𝑣𝑅𝑇 = 8𝜋𝜆2

𝜏(𝑑𝑡

𝜏)

(2/𝐷𝐹)−1

(4.31. c)

Dacă valorile de mai sus sunt mai mari decât o valoare critică, sistemul devine

turbulent, simulând scenariul de evoluție spre haos Ruelle-Takens.

4.5. Concordanța dintre modelul teoretic și datele experimentale

Există diferențe fundamentale între fluidul standard și fluidul fractal (descris

de TRS):

i)Dinamica fluidului standard este descrisă prin funcții continue și

diferențiabile. Aceste funcții depind numai de coordonatele spațiale și de timp.

Deoarece particulele fluidului fractal se deplasează pe curbe fractale, dinamica

fluidului fractal este descrisă de funcții continue și nediferențiabile (funcții

fractale). Aceste funcții depind atât de coordonatele spațiale și timp cât și de

rezoluția de scală.

ii)Funcția fractală 𝛹(𝑟, 𝑡, 𝑑𝑡/𝜏) este invariantă în raport cu modificare fazei

28

Page 28: REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT Doctorand, C …...1.2. Introducere: ’’O Istorie lungă pe scurt’’ Capitolul de faţă readuce problema descrierii materiei ca un organism. Redăm

printr-un multiplu întreg de 2π.

iii)Ecuația de difuzie fractală se obține din legea de conservare a densității

admițând “coerența” mișcărilor la diferite scale de rezoluție.

iv)Ecuația de difuzie standard se obține din relația de mai sus pentru mișcări

pe curbe Peano cu DF = 2 și scale de rezoluție temporală de ordinul timpului

caracteristic de difuzie.

v)Corespondența dintre hidrodinamica standard și cea fractală se obține prin

relația [37]:

∇𝑖𝜎𝑖𝑙 = −𝜌∇𝑙𝑄 (4.35) Tranziția ”mingii de foc’’ între stările statică și dinamică depinde atât de

potențialul aplicat pe electrodul suplimentar, cât și de parametrii plasmei.

Așa cum rezultă din paragraful 4.4, potențialul fractal este o măsură a

haoticității traiectoriilor particulelor plasmei de descărcare, prin

nediferențiabilitatea lor. Deoarece potențialul fractal depinde de viteza

fractală, rezultă că toate funcționalitățile sale pot fi transferate acesteia.

Conform observațiilor făcute la sfârșitul paragrafului 4.1, dacă dinamica

plasmei de descărcare este descrisă de o ecuație de tip KdV pentru curentul

normalizat, atunci, aplicând metoda descrisă în [50,58] , se obține soluția de

forma:

𝑖(𝜉, 𝑠) = 2𝑎 [𝐸(𝑠)

𝐾(𝑠)− 1] + 2𝑎 𝑐𝑛2 [

√𝑎

𝑠𝜉; 𝑠] (4.38)

Astfel, evoluția plasmei de descărcare este descrisă prin modurile cnoidale

de oscilație ale curentului normalizat. Modulul funcției eliptice s, ia valori în

intervalul [0,1] și joacă rolul de parametru de control al neliniarității . Într-

adevăr, pentru s = 0 modurile cnoidale de oscilație degenerează într-o secvență

de tip armonic, în timp ce pentru s→0 acestea se reduc la o secvență de tip

pachet armonic [56]. Conform cu [57], aceste degenerări vor defini regimul de

lucru necuasiautonom al plasmei. Pentru s =1 modurile cnoidale de oscilație

degenerează într-o secvență de tip soliton, în timp ce pentru s →1 acestea se

reduc la o secvență de tip pachet de solitoni. Conform cu [57], aceste

degenerări vor defini regimul de lucru cuasiautonom al plasmei . Deoarece în

mod obișnuit [48-51] solitonul este asociat stratului dublu, pachetul de

solitoni este asociat straturilor multiple iar tranziția de la regimul

necuasiautonom la cel cuasiautonom are loc pentru s = 0.7 [46], rezultă că

declanșarea succesiunii de tranziții spre haos trebuie căutată pentru valori s >

0.7, așa cum vom arăta în continuare.

29

Page 29: REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT Doctorand, C …...1.2. Introducere: ’’O Istorie lungă pe scurt’’ Capitolul de faţă readuce problema descrierii materiei ca un organism. Redăm

Fig. 4.4. Curentul normalizat i în funcție de coordonata temporală normalizată ξ și

parametrul de control s, precum și secvențe ale acestei dependențe în planurile π1 – π4

Figurile 4.5 a-c ilustrează comparativ secvențele obținute din modelul teoretic

pentru diferite valori ale parametrului de control și rezultatele experimentale.

Sunt evidențiate diferite mecanisme de evoluție spre haos (prin

cvasiperiodicitate, pentru s = 0.74 – vezi figura 4.5 a, bifurcații subarmonice,

pentru s = 0.75 – vezi figura 4.5 b și intermitențe, pentru s = 0.82 – vezi figura

4.5 c).

30

s

i

1 2

4

3

Page 30: REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT Doctorand, C …...1.2. Introducere: ’’O Istorie lungă pe scurt’’ Capitolul de faţă readuce problema descrierii materiei ca un organism. Redăm

Fig.4. 5. Secvențe comparative obținute din modelul teoretic (linie continuă), respectiv din experiment (linia întreruptă) pentru semnale cvasiperiodice (s = 0.74) (a),

comportări subarmonice (s = 0.75) (b) și respectiv, intermitență (s = 0.82) (c)

Caracteristica statică curent-tensiune experimentală arată că, după tranziția

’’mingii de foc’’ într-un regim dinamic, se stabilește un regim ohmic între

curentul mediu și tensiunea aplicată [30,39,59].

Fig.4. 6. Potențialul normalizat v în funcție de timpul de integrare normalizat η și

parametrul de control s

Valorile teoretice pentru potențialul de declanșare a diferitelor tranziții spre

haos sunt obținute ca momente ale dependenței (4.39) pentru valori ale

timpului de ordinul milisecundelor și valori ale parametrului de control s > 0.7.

31

Page 31: REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT Doctorand, C …...1.2. Introducere: ’’O Istorie lungă pe scurt’’ Capitolul de faţă readuce problema descrierii materiei ca un organism. Redăm

Din figura 4.7 sunt obținute următoarele valori pentru potențialele de

declanșare ale intermitenței V = 101.2 V pentru s = 0.82, bifurcațiilor

subarmonice V = 111.9 V pentru s = 0.75 și respectiv, cvasiperiodicității V =

113.3 V pentru s = 0.74.

Fig. 4.7. Dependența potențialului pe electrod de parametrul de control s

Aceste valori teoretice sunt apropiate de cele înregistrate experimental –

vezi figurile 4.3.

4.6. Perspective

A fost evidențiată experimental o competiție a trei scenarii de tranziție spre

haos (prin intermitențe, prin cascadă de bifurcații subarmonice și respectiv,

prin cuasiperiodicitate) prin analiza de dinamică neliniară a seriilor temporale

corespunzătoare oscilațiilor curentului colectat de către un electrod, în fața

căruia este creată ’’o minge de foc’’ în stare dinamică. Utilizând tensiunea

aplicată pe electrodul de excitare ca parametru de control, tranzițiile spre haos

au fost observate succesiv, împreună cu ferestre de oscilații regulate.

A fost dezvoltat un model teoretic în cadrul teoriei relativității de scală. În

acest model am considerat că, datorită ciocnirilor, particulele plasmei

(electroni, ioni și neutri) se deplasează pe curbe continue și nediferențiabile,

adică pe curbe fractale. A fost stabilită echivalența dintre formalismul

hidrodinamicii fractale și cel al ecuației de tip Schrödinger. Potențialul aplicat

pe electrod a fost modelat ca groapă de potențial dreptunghiulară

unidimensională. Criteriile de evoluție spre haos au fost obținute prin aplicarea

formalismului de clonare total și fracționar.

Rezultatele obținute din acest modelul teoretic sunt în bună concordanță cu

cele experimentale.

32

Page 32: REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT Doctorand, C …...1.2. Introducere: ’’O Istorie lungă pe scurt’’ Capitolul de faţă readuce problema descrierii materiei ca un organism. Redăm

Concluzii generale

Principalele concluzii ale prezentei lucrări sunt următoarele:

i) Se specifică în capitolul I o nouă cale a tranziţiei diferenţiabilitate-fractalitate

prin admisibilitatea preceptelor mecanicii clasice în microcosmos prin

problema Kepler (teoremele lui Mariwala). Într-adevăr, dacă în cazul clasic

problema acestei mişcări este decisă de o forţă centrală invers proporţională cu

pătratul distanţei, admiterea postulatelor cuantice ale lui Niels Bohr (electronul

în atom există doar pe orbite staţionare, ceea ce este echivalent cu cuantificarea

momentului cinetic orbital, iar tranziţia de la o orbită staţionară la alta se

realizează cu absorbţie sau emisie de radiaţie luminoasă, ceea ce este

echivalent cu ℎ𝑚𝑛

= |𝐸𝑛 − 𝐸𝑚|) sunt expresia unei forţe centrale cu mărime

invers proportională cu puterea a treia a distanţei. Forţa invers proporţională

cu pătratul distanţei conduce la traiectorie eliptică a problemei Kepler clasice,

în timp ce forţa invers proporţională cu puterea a treia conduce la spirale

logaritmice. Se ajunge astfel la o aparentă contradicţie: dacă în cazul

macroscopic stabilitatea sistemului există datorită faptului că traiectoria este

închisă, în cazul atomului ea se pierde întrucât spirala logaritmică este evident

o traiectorie deschisă (’’epuizarea energetică a modelului planetar’’). Convinşi

totuşi că gândirea cuantică trebuie să fie o continuare logică a filozofiei

naturale clasice am găsit o explicaţie: rezultatul clasic esenţial este că, forţa

centrală invers proporţională cu puterea a treia a distanţei poate fi considerată

mai degrabă o forţă de tranziţie între orbitele eliptice (punctele spaţiale de

tranziţie între orbitele electronice se află totdeauna pe o spirală logaritmică; ea

nu este o traiectorie, ci loc geometric al punctelor de tranziţie între orbitele

determinate de forţa invers proporţională cu pătratul distanţei). Ori spirala

logaritmică este continuă şi diferenţiabilă peste tot ,în toate punctele spaţiale

de tranziţie dar fractală în origine.

ii) Admiţând că introducerea fractalităţii este un fenomen evident în universul

nostru, chiar şi la nivelul simţurilor obişnuite, pentru a putea descrie

fenomenele naturii, în capitolul II construim o teorie a mişcării într-o

dimensiune fractală arbitrară constantă pe o varietate tridimensională

dependentă atât de coordonatele spaţiale şi timp cât şi de rezoluţia de scală. O

asemenea tratare este diferită de teoriile uzuale de tip relativitate de scală (vezi

lucrările lui Nottale şi colaboratorii) prin faptul că sunt explicitate şi nu

acceptate tacit unele principii (principiul substituţiei, principiul mediei etc),

unele implicaţii ale nediferenţiabilităţii (recuperarea invarianţei infinitezimale

temporale prin prelungirea în complex prin diferenţiabilitate etc.) etc. Într-o

asemenea conjunctură se construieşte ecuaţia geodezicelor pentru un câmp

complex de viteze şi de aici varianta Schrödinger a ei în reprezentarea prin

funcţie de undă respectiv varianta hidrodinamică a ei prin reprezentarea

Madelung sub forma legii de conservare a impulsului şi a densităţii de stări

33

Page 33: REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT Doctorand, C …...1.2. Introducere: ’’O Istorie lungă pe scurt’’ Capitolul de faţă readuce problema descrierii materiei ca un organism. Redăm

(hidrodinamica fractală). Mai mult, în varianta hidrodinamică a ecuaţiei

geodezicelor sunt analizate diverse dinamici: la scală fractală soluţia de energie

finită generează elemente de logică fractală (estul fractal, părţile fractale), în

timp ce tot ea implică pe baza dilatonului asociat potenţialului fractal efectul

de ’’ memorizare’’ şi ’’anomaliile’’ în nanostructuri. La scală diferenţială,

soluţia sistemului de ecuaţii al hidrodinamicii fractale pentru ’’particula’’

liberă ’’mimează’’ la scală cosmologică prin materia neagră efectul Hubble,

în timp ce soluţiile numerice ale aceluiaşi sistem de ecuaţii în absenţa sau

prezenţa ecuaţiei energiei, simulează dinamici în plasme de ablaţie.

Decuplarea câmpurilor de viteze (diferenţială de cea fractală) prin neglijarea

efectelor convective induce oscilaţii de curent ale plasmei de ablaţie.

iii) În capitolul III se dezvoltă o teorie a relativităţii de scală într-o dimensiune

fractală constantă arbitrară pe o varietate spaţiu-timp. După expunerea

consecinţelor nediferenţiabilităţii 4-curbelor de mişcare pe o varietate spaţiu–

timp, se construieşte ecuaţia geodezicelor pentru un câmp complex de 4-viteze

pe baza unui principiu al covarianţei de scală generalizat. Această ecuaţie se

reduce la una fractală de tip Klein-Gordon în reprezentarea prin funcţie de undă

sau la setul de ecuaţii al hidrodinamicii fractale (legea de conservare a 4-

impulsului şi legea de conservare a 4-densităţii de stări) în reprezentarea

Madelung. Modelul permite atât existenţa unei viteze limită arbitrare

dependentă de scala de rezoluţie, cât şi prin 4-potenţialul fractal, a unei mase

proprii fluctuante. În cazul particular al mişcării pe 4-curbe Peano la scală

Compton se reobţin rezultatele teoriei dublei soluţii a lui de Broglie.

iv) În capitolul IV se arată că diversele criterii de tranziţie spre haos (dublarea

de perioadă, cvasiperiodicitate, cascadă de bifurcaţii subarmonice, intermitenţe

etc. ) pot fi ’’mimate’’ în aproximaţia dispersivă a mişcării utilizând simultan

atât reprezentările de tip Schrödinger (cea întreagă şi cea fracţionară) cât şi

reprezentarea hidrodinamică a ecuaţiei geodezicelor. Pentru realizarea unui

asemenea deziderat în prima din reprezentări se utilizează proprietatea de

’’clonare ’’ totală şi fracţionară a funcţiei de undă pentru o groapă de potential

unidimensională dreptunghiulară, iar în cea de-a doua reprezentare

posibilitatea de a defini diferite numere Reynolds a căror valori critice

’’induc’’ turbulenţa. Practic discutăm de o haoticizare prin stohasticizare în

reprezentările Schrödinger dublată de una prin turbulenţă în reprezentarea

hidrodinamică.

În aproximaţia disipativă a mişcării diversele criterii de evoluţie spre haos

(cvasiperiodicitate, cascadă de bifurcaţii subarmonice, intermitenţe) sunt

’’mimate’’ ca mixturi ale unor moduri de oscilaţie cnoidale de curent pentru

diverse grade de neliniaritate.

Modelul teoretic este validat experimental prin competiţia între trei scenarii

de tranziţie spre haos într-un sistem cu plasmă în care există o ’’minge de

foc’’în stare dinamică.

34

Page 34: REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT Doctorand, C …...1.2. Introducere: ’’O Istorie lungă pe scurt’’ Capitolul de faţă readuce problema descrierii materiei ca un organism. Redăm

Bibliografie selectivă

[1]. Nottale L. (1993), Fractal space-time and Microphysics: Towords a theory of scale

relativity, World Scientific, Singapore [2]. Nottale L. (2011), Scale relativity and fractal space-time. A new approach to

unifying relativity and quantum mechanics, Imperial College Press, London

[3]. Wilson E.B. (1919), Radiationless Orbits, Proceedings of th e National Academy of the United States, 5, pp. 588-591

[4]. Jackson J. D. (1998), Classical Electrodynamics, New York: John Wiley &Sons,

Inc.

[5]. Agop M., Mazilu N., Fundamente ale fizicii moderne, Editura Junimea, Iaşi, 1989

[6]. Mazilu N., Agop M., Skyrmions: A great finishing touch to classical Newtonian

Phylosophy, Word Phylosophy Series, Nova, New York, 2012 [7]. Luis G. (1993), Complex Fluids, Springer, Volume 415

[8]. Mitchell M. (2009), Complexity: A guided tour, Oxford University Press, Oxford [9]. Thomas Y. Hou. (2009), Multi-scale phenomena in complex fluids: modeling,

analysis and numerical simulations, Word Scientific Publishing Company, Singapore

[10]. Mitchell O. D., Thomas B. G. (2012), Mathematical modeling for complex fluids and flows, Springer, Berlin

[11]. Cristescu P.C., Dinamici neliniare şi haos. Fundamente teoretice şi aplicaţii,

Editura Academiei, Bucureşti, 2008 [12]. Jackson A., Perspectives in nonlinear dynamics vol. I and II, Cambridge,

Cambridge University Press, 1993

[13]. Poole C. P., Farach K. A., Creswick R., Superconductivity, San Diego, Academic Press, 1995

[14]. Zhang Z., Nano/Microscale Heat Transfer, Mc Graw-Hill, New York, 2007

[15]. Ferry D. K., Goodnick S.M., Transport in nanostructures, Cambridge University Press, Cambridge, 1997

[16]. Floerchinger S., Tetradis N., Wiedemann U. A., Accelerating cosmological

expansion from shear and bulk viscosity, Phys. Rev. Lett, 114, 091301, 2015, 1-5 [17]. Fabris J.C., Gonçalves S.V.B., de Sá Ribeiro R., Bulk viscosity driving the

acceleration of the Universe, Gen. Relativ. Gravit., 2006, 38 (3), 495-506

[18]. Nottale L., Célérier M. N. and Lehner T. (2006), J. Math. Phys. 47, 032303 [19]. Nottale L. and Timar P., (2008), Simultaneity:Temporal Structures and Observer

Perspectives,Susie Vrobel, Otto Rösler, Terry Marks-Tarlow, (Eds.), Word Scientific,

Singapore, Chap. 14, p. 229 [20]. Nottale L. (1994), Relativity in General, (Spanish Relativity Meeting 1993), J.

Diaz Alonso and M. Lorente Paramo (Eds.), Editions Frontières, Paris, p. 121

[21]. Nottale L. (1998), La relativité dans tous ses états, Hachette, Paris 37 [22]. Castro Neto A.H. et al., The electronic properties of graphene, Rev. Mrd. Phys, 81,

2009, 109-162

[23]. Buhuceanu O., Dariescu M.A., Dariescu C., Relativistic bosons on time-harmonic electric fields,International Journal of Theoretical Physics 51(2), 2012, 526-535

[24]. Novoselov K. S. et al, Two-dimensionl gas of massless Dirac fermions in

graphene, Nature, 438, (2005),197-199 [25]. Novoselov K. S., Graphene: The magic of flat carbon E C S Transactions,19,5,

2009, 3-7

35

Page 35: REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT Doctorand, C …...1.2. Introducere: ’’O Istorie lungă pe scurt’’ Capitolul de faţă readuce problema descrierii materiei ca un organism. Redăm

[26]. de Broglie L. (1923), Comptes Rendus Acad. Sci. Paris 177, 507-548

[27]. de Broglie L. (1925), Annales de Physique 10è série,Tome III (ph.D.Thesis,

Recherches sur la théorie des quanta, Masson) [28]. de Broglie L. (1926), Compt. Rend. 183, 447

[29]. Cheung P. Y., Donovan S., Wong A. Y. , Phys. Rev. Lett. 61 (1988) 1360

[30]. Chiriac S., Dimitriu D. G., Sanduloviciu M., Phys. Plasmas 14 (2007) 072309 [31]. Qin J., Wang L., Yuan D. P., Gao P., Zhang B. Z., Phys. Rev. Lett. 63 (1989) 163

[32]. Ding W., Huang W., Wang X., Yu C. X., Phys. Rev. Lett. 70 (1993) 170

[33]. Igochine V., Dumbrajs O., Zohm H., the ASDEX Upgrade Team: Nucl. Fusion 48 (2008) 062001

[34]. Chiriac S., Aflori M., Dimitriu D. G., J. Optoelectron. Adv. Mater. 8 (2006) 135

[35]. Atipo A., Bonhomme G., Pierre T., Eur. Phys. J. D 19 (2002) 79 [36]. Agop M., Dimitriu D. G., Niculescu O., Poll E., Radu V., Phys. Scripta 87 (2013)

045501

[37]. Charles C., Plasma Source Sci. Technol. 16 (2007) R1 [38]. Baalrud S. D., Longmier B., Hershkowitz N., Plasma Source Sci. Technol. 18

(2009) 035002

[39]. Niculescu O., Dimitriu D. G., Paun V. P., Matasaru P. D., Scurtu D., Agop M., Phys. Plasmas 17 (2010) 042305

[40]. Stenzel R. L., Ionita C., Schrittwieser R., Plasma Source Sci. Technol. 17 (2008)

035006 [41]. Stenzel R. L., Ionita C., Schrittwieser R., J. Appl. Phys. 109 (2011) 113305

[42]. Ord G. N., Ann. Phys. 250 (1996) 51

[43]. Stauffer D., Stanley H. E., From Newton to Mandelbrot – A Primer in Theoretical Physics with Fractals for the Personal Computer, 2nd ed. (Springer-Verlag, Berlin, 1996)

[44]. Agop M., Nica P., Niculescu O., Dimitriu D. G., J. Phys. Soc. Japan 81 (2012)

064502 [45]. Dimitriu D. G., Aflori M., Ivan L. M., Radu V., Poll E., Agop M., Plasma Sources

Sci. Technol. 22 (2013)

[46]. Argyris J., Marin C., Ciubotariu C., Physics of Gravitation and Universe (Tehnica-INFO, Chisinau, 2002)

[47]. Agop M., Nica P. E., Ioannou P. D., Antici A., Paun V. P., Eur. Phys. J. D 49

(2008) 239 [48]. Agop M., Nica P. E., Gurlui S., Focsa C., Paun V. P., Colotin M., Eur. Phys. J. D

56 (2010) 405

[49]. Agop M., Niculescu O., Timofte A., Bibire L., Ghenadi A. S., Nicuta A., Nejneru C., Munceleanu G. V., Int. J. Theor. Phys. 49 (2010) 1489

[50]. Dimitriu D. G., Czech. J. Phys. 54 (2004) C468

[51]. Mandelbrot B., Les Objets Fractals: Forme, Hasard et Dimension (Flammarion, Paris, 1975)

[52]. Mandelbrot B., The Fractal Geometry of Nature (Freeman, San Francisco, 1983) [53]. Jackson E. A., Perspectives in Nonlinear Dynamics (Cambridge University Press,

Cambridge, London, 1991), vol. 1 38

[54]. Bacaita E. S., Bejinariu C., Zoltan B., Peptu C., Andrei G., Popa M., Magop D., Agop M., J. Appl. Math. 2

[55]. Agop M., Strat M., Strat G., Nica P., Chaos Solitons & Fractals 13 (2002) 1541

[56]. Bulgakova N. M., Bulgakov A. V., Bobrenok O. F., Phys. Rev. E 62 (2000) 5624

36

Page 36: REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT Doctorand, C …...1.2. Introducere: ’’O Istorie lungă pe scurt’’ Capitolul de faţă readuce problema descrierii materiei ca un organism. Redăm

[57]. Gurlui S., Agop M., Strat M., Strat G., Bacaita S., Cerepaniuc A., Phys. Plasmas

13 (2006) 063503

[58]. Radu M. A., Phys. Rep. 178 (1989) 25 [59]. Dimitriu D. G., Gaman C., Mihai-Plugaru M., Amarandei G., Ionita C., Lozneanu

E., Sanduloviciu M., Schrittwieser R., Acta Phys. Slovaca 54 (2004) 89012 (2012)

653720

Publicații

Lista lucrărilor științifice publicate în reviste indexate ISI în domeniul

tezei [1]. Agop M., Dimitriu D.G., Vrajitoriu L., Boicu M., Order to Chaos

Transition in Plasma via Non-Differentiability: Experimental and Theoretical

Investigations, Journal of the Physical Society of Japan 83, 054501(2014) 1-

11

[2]. Agop M., Casian-Botez I., Boicu M., Mihăileanu D., Dimensionality in

nanostructures by means of non-differentiability, Journal of Computational

and Theoretical Nanoscience, vol. 12, nr. 12, 1-10, 2015

[3]. Vasilescu D., Corabieru P., Corabieru A., Boicu M., Mihaileanu D., Agop

M., On a constitutive material law at nanoscale, Journal of Computational and

Theoretical Nanoscience (acceptat spre publicare)

Lista lucrărilor științifice publicate în reviste din străinătate indexate în

bazele de date internaționale [1]. Mazilu N., Agop M., Axinte C.I., Radu E., Jarcău M., Gârţu M., Răuţ M.,

Pricop M., Boicu M., Mihăileanu D., Vrăjitoriu L., A newtonian message for

quantization, Physics Essays 27, 2 204 -214, 2014

[2]. Mazilu N., Agop M., Boicu M., Mihăileanu D, Pricop M., Gaţu I.,

Dezideriu D., Ghizdovăţ V.,The Geometry of Heavenly matter formations,

Physics Essays 28, 1 (2015)

Lista lucrărilor științifice publicate în reviste BDI în domeniul tezei

[1]. Timofte D., Boicu M., Vasincu D., Memorization type effect in biological

fluids.Dinamics equations(I),Buletinul Institutului Politehnic Iaşi, Secţia

Matematică, Mecanică Teoretică, Fizică LX (LXIV) Fasc. 2, 2014,60-65

[2]. Stoica C., Duceac L.D., Lupu D., Boicu M., Mihaileanu D., On the fractal

bit in biological systems,Buletinul Institutului Politehnic Iaşi, Secţia

Matematică, Mecanică Teoretică, Fizică LXI (LXV) Fasc. 1, 2015, 1-15

[3]. Boicu M., Dezideriu Iacob D., On the Hubble effect by means of the

fractal medium, Buletinul Institutului Politehnic, Iaşi, Secţia Matematică,

Mecanică Teoretică, Fizică, 2015 (acceptată spre publicare)

37

Page 37: REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT Doctorand, C …...1.2. Introducere: ’’O Istorie lungă pe scurt’’ Capitolul de faţă readuce problema descrierii materiei ca un organism. Redăm

Conferințe internaționale

[1]. Irimiciuc S.A., Boicu M., Agop M., Laser produced plasma dynamics: A

non-differentiable approach, International Conference of Physics of Advanced

Materials (ICPAM-10) Iasi 2014, 22.09-28.09.2014, pag. 33/P-6

[2]. Mihaileanu D., Boicu M., The increase of the electrical conductance in

nanostructures. A theoretical approach, Simpozionul Internațional Universul

Științelor, Editia a V- a, 7 septembrie 2014

Cărți publicate în țară

[1]. Boicu M., Agop M., Haos şi autoorganizare în sistemele dependente de

scală, Ars Longa, Iaşi, 2015

38