БИОФИЗИКА, 2014, том 59, вып. 3, с. 600-611
БИОФИЗИКА СЛОЖНЫХ СИСТЕМ
УДК 577.3
ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ОСНОВНЫХ ФЕНОМЕНОВ «МАКРОСКОПИЧЕСКИХ ФЛУКТУАЦИЙ» С И СПОЛЬЗОВАНИЕМ СВЕТОВЫХ ЛУЧЕЙ, ГЕНЕР И Р УЕМЫХ ЛАЗЕРАМИ ИЛИ СВЕТОДИОДАМИ
© 2014 г. И .А. Рубинштейн*, А.В. Каминский**, А.А. Толоконникова***, В.А. Коломбет***, С.Э. Шноль*** ****
*НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцына, Московского государственного университета им. М .В. Ломоносова, 119991, Г СП-1, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2; **Е1/1-ТесН Ltd., Stieme Park, Rehovot, Israel;
***Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН, 142290, Пущино Московской области, ул. Институтская, 3;
****Физический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2; E-mail: shnoll@iteb.ru Поступила в p едакцию 02.12.13 г.
Основные феномены «макроскопических флуктуаций» воспроизведены с использованием световых лучей, генерируемых лазерами или светодиодами. Исследования этих флуктуаций световых лучей выглядят крайне перспективными.
Ключевые слова: экспертный метод, анализ временных рядов, «макроскопические флуктуации», форма гистограмм, альфа-распад, синодический, сидерический, лазер, светодиод, период вращения Земли.
«Макро скопические флуктуации» (МФ) - закономерные изменения спектров амплитуд флуктуаций, сопровождающие измерения про -цессов любой природы, являются проявлением фундаментальных свойств нашего мира [1-6]. Тонкая структура этих спектров - форма со -ответствующих гистограмм - изменяется с околосуточными (1436 мин - «звездным» и 1440 мин - «солнечным»), 27-суточным и хорошо разрешенными тремя годичными периодами: «календарным», равным 365 средним солнечным суткам, «тропическим», равным 365 солнечным суткам плюс 5 ч 48 мин, и «сидер иче-ским», равным 365 средним солнечным суткам плюс 6 ч 9 мин. Форма гистограмм зависит от ориентировки измерительного устройства в пространстве. Об этом свидетельствуют результаты опытов по измерениям флуктуаций скорости а-распада счетчиками с применением коллиматоров, направляемых в разные стороны. Однако опыты с коллиматорами при этих из-мер ениях не позволяют достичь должного разрешения. П робег («пролет») а-частиц в воздухе
Сокращение: МФ - макроскопические флуктуации.
порядка нескольких сантиметров при диаметре канала коллиматора около 1 мм не позволяет достичь углового разрешения лучше нескольких градусов. В то же время при использовании лучей света возможно (при длине луча пор ядка метров) достижение разр ешения порядка долей угловых секунд. Недавно явление МФ было продемонстрировано на световых лучах, генерируемых светодиодами или лазерами [7].
В предлагаемой статье приведены результа -ты исследований основных феноменов, характеризующих МФ, при исследовании флуктуаций световых лучей, генерируемых светодиодом и лазером, посредством сконструированных нами приборов.
МЕТОДЫ
Как и в предыдущих работах, основной метод выполненных исследований - сравнение формы «несостоятельных» гистограмм, постро -енных по относительно небольшому массиву: 30-60 результатам измерений интенсивности изучаемого процесса. Сравнение производили визуально, экспертным методом, или при посредстве компьютерной программы. Методы
Рис. 1. Функциональная схема установки № 1, сконструир ованной для измер ения флуктуаций светового луча. Обозначения на рисунке: 1 - свето-диод, 2 - коллиматор, 3 - фотодиод, 4 - низко-шумящий усилитель, 5 - компаратор, 6 - счетчик импульсов, 7 - стабилизатор среднеквадратичного значения напряжения на выходе усилителя 4, 8 -генер атор ы тока светодиода.
постр оения и анализа фор мы гистогр амм детально описаны в работе [1].
Для исследований флуктуаций интенсивности луча света, создаваемого светодиодом и р егистр ируемого фотодиодом, подсчитывало сь количество пр евышений в единицу вр емени за -данного порога интенсивности света. В установках конструкции И .А. Рубинштейна в качестве источника света использован светодиод АЛ 307Д, длина волны ~ 630 нм. Постоянный ток светодиода составляет 8 мА. В роли детектор а использован фотодиод А224 пр оизвод-ства ФГУП «ПУЛЬСАР». Светодиод и фото -диод укреплены в трубке-коллиматоре со световым каналом диаметр ом 3 мм на ра сстоянии 35 мм друг от друга (р ис. 1). Таким обр азом, мы имели возможность ориентировать коллиматор со свето- и фотодиодами в любых необходимых направлениях.
Пер еменная со ставляющая тока фотодиода поступает через низкошумящий усилитель на вход компаратора, фиксирующего превышение сигналом усилителя заданного пор ога. Величи -на пор ога подбир ается такой, чтобы число пр е-вышений пор ога было от 200 до 500 в секунду. Помимо счета импульсов возможно изучение флуктуаций амплитудного распределения сигнала усилителя путем оцифровки его с заданной частотой, напр имер 300 Гц. Амплитудное рас-
пpеделение сигнала усилителя имеет хаpактер электр ического шума. Изучение его флуктуаций пр оизводится путем аналого-цифр ового пр еоб -разования шумового сигнала с определенной частотой с по следующим постр оением гистогр амм за одинаковые отр езки вр емени.
Для опр еделения вклада фотонов, попадающих на фотодиод, было проведено измерение среднеквадратичного значения сигнала усилителя, подключенного к источнику тока, равного постоянной со ставляющей тока фотодиода (1,4 мкА) без о свещения. Оно оказалось равным 5,6 мВ, тогда как ср еднеквадр атичное значение сигнала пр и попадании фотонов равно 36 мВ. Е сли шум электр онного устр ойства со стоит из двух независимых составляющих, то его величина опр еделяется выр ажением:
U ш = Ui + иш2,
где иш1 - шумовой сигнал от фотонов, иш2 -шумовой сигнал от тока, р авного току фото -диода, иш - суммарный шумовой сигнал. Отсюда следует, что иш 1= 32,2 мВ, что приблизительно в шесть раз пр евышает величину шума
U ш2"
В установках № 2 и № 3 конструкции А .В. Каминского (р ис. 2а ,б) были использованы све-тодиоды с длиной волны 671 нм, диафрагма, пин-фотодиоды HAMAMATSU и диэлектр иче-ская полупр озр ачная пластинка. Были выбр аны также трансимпедансные десятимегомные уси-лители фототока, система сбор а данных на 100 Кгц, 16 бит фирмы National Instruments. Фототок в рабочем режиме со ставлял 0,5 мкА, отношение сигнал/шум было приблизительно равным четырем (рис. 3).
С этими установками мы во спр оизвели о с-новные феномены «макр о скопических флуктуа -ций».
Р ЕЗУЛЬТАТЫ
На р ис. 4 пр иведен в качестве пр имер а р езультат регистр ации флуктуаций интенсивно-
P ис. 2. (а) - Схема установки № 2. Обозначения на рисунке: 1 - светодиод, 2 - диафр агма, 3 - диэлектр ическая полупр озр ачная пластинка, 4 и 5 - фотодиоды. (б) - С лева версия схемы рис. 2а; справа схема установки № 3.
Р ис. 3. Схема установки № 4 (автор - А .В Каминский), позволяющей исследовать фор му гистогр амм пр и разных напр авлениях лучей света, полученных р асщеплением исходного лазер ного луча поср едст-вом световода с тремя ответвлениями.
сти светового луча, генерируемого светодио-дом.
На рис. 5 изображены гистограммы, по-стр оенные компьютер ной пр огр аммой Э .В. Пожарского ОМ [7] по результатам измерений флуктуаций светового потока от светодиода, напр авленного на во сток. Гистогр аммы по-стр оены по непер екр ывающимся отр езкам вр е-менного ряда по 60 измер ений, т.е. за одну минуту каждая. Каждая гистогр амма сглажена семь р аз пр ямоугольным окном шир иной тр и бина. Опыт от 4.05.2011.
Гистогр аммы, пр едставленные на рис. 5, появляются по сле сглаживания и двойной нор ми-ровки - по среднеарифметическому значению измер яемой величины и по ср еднеквадр атично-му значению амплитуды флуктуаций. Нормировка исключает зависимость от результатов
каких-либо «воздействий» на измер ения, изменяющих ср еднее значение измер яемой величины и/или амплитуду флуктуаций. В результате гистогр аммы лишаются существенной части своей «индивидуально сти» - по форме гистогр амм нельзя отличить один пр оцесс от другого (на -пример, альфа-распад от генерации света по-лупр оводниковым генер атор ом).
На рис. 5 пр иведен типичный вид по следо-вательных одноминутных гистогр амм пр и измер ениях флуктуаций (в данном случае свето-вого луча). Такие вар иации фор мы нор мир о -ванных, «несо стоятельных» гистогр амм получаются пр и изучении пр оцессов любой пр ир о -ды. Как показали наши исследованиях, фо р мы гистогр амм, по -видимому, опр еделяются движением Земли в специфически неизотр опном и неоднор одном физическом пр о стр анстве [1,5].
X ар актер ными чертами феномена МФ являются хир альность, наличие «ближней зоны», за -висимость от напр авления в пр о стр анстве, периодичность появления сходных форм гистогр амм, «феномен стрелы времени», «эффект палиндромов», синхронность фор м гистограмм по абсолютному вр емени и независимость от пр ироды процесса, синхронность по местному времени появления сходных гистограмм для пр о-цессов любой пр ир оды, измеряемых на р азных меридианах Земли (что при измерениях на одном мер идиане пр иводит к частному случаю синхр он-ности по абсолютному вр емени), и пр.
Хиральность. Одним из свидетельств неслучайно сти фо р мы получаемых гистогр амм служит явление зер кальной симметр ии (хир ально-сти) иногда весьма сложных фигур. На рис. 5 хир альность видна пр и ср авнении фо р мы гистогр амм № 2 и № 3, а также № 5 и № 12,
Р ис. 4. Вр еменной ряд р езультатов измер ений интенсивности напр авленного на запад светового луча, генер ир уемого светодиодом, - «почти совсем» белый шум. По гор изонтальной о си - вр емя в секундах, по вер тикальной -значения измеряемой величины.
Рис. 5. Фрагмент компьютерного журнала - пример серии последовательных гистограмм, построенных по 60 результатам односекундных измерений флуктуаций светового потока от светодиода, направленного на восток. В двухсуточном опыте построено 2880 таких гистограмм по неперекрывающимся одноминутным отрезкам временного ряда. И сходные гистограммы сглажены семь раз. Опыт от 4.05.2011.
Рис. 6. (а) - Иллюстрация зеркального сходства гистограмм сложной формы; (б) - гистограммы №№ 21 и 24 наложены друг на друга
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.