Анизотропная среда

Среда, макроскопические свойства которой различны в различных направлениях, в противоположность среде изотропной, где они не зависят от направления. Формально анизотропия однородной безграничной среды означает неинвариантность ее свойств относительно группы вращений. Поскольку у реальной среды обычно есть границы, при строгом подходе к определению анизотропии необходимо иметь в виду не абстрактную безграничную среду, а сделанный из этой среды макроскопически однородный шар. Среду следует считать анизотропной, если существует экспериментально обнаружимый поворот вокруг центра указанного шара.

Анизотропия среды может быть обусловлена несколькими причинами: анизотропией образующих ее частиц, анизотропным характером их взаимодействия (дипольным, квадрупольным и др.), упорядоченным расположением частиц (кристаллической среды, жидкие кристаллы), мелкомасштабными неоднородностями (см., например, Текстура). В то же время анизотропные или анизотропно взаимодействующие частицы могут образовывать изотропную среду (например, аморфные вещества или газы и жидкости, в которых изотропия обусловлена хаотическим движением и вращением частиц). Анизотропная среда может образоваться под действием внешних полей, ориентирующих или деформирующих частицы. Даже физический вакуум во внешних полях (электромагнитном, гравитационном и др.) поляризуется и ведет себя как анизотропная среда. Физические поля и вещество искривляют само пространство-время, которое приобретает анизотропные гравитационные свойства.

Анизотропные свойства сплошной среды описывают тензорными величинами; в неоднородной анизотропной среды они меняются от точки к точке. Среды, анизотропные для одного класса явлений, могут вести себя как изотропные по отношению к другому классу. Так, механические свойства кристаллической поваренной соли NaCl анизотропны (ее упругость различна вдоль ребер и диагоналей кубической решетки), тогда как тепловые и оптические свойства изотропны с высокой степенью точности. В изотропной среде соответствующие тензоры сводятся к единичным.

Анизотропные среды обычно классифицируют по типу симметрии их структуры, которая характеризуется распределением частиц в пространстве и корреляцией между ними. Это связано с тем, что симметрия любого физического свойства не может быть ниже симметрии структуры среды (принцип Неймана). В случае трехмерного упорядочения частиц (кристаллическая решетка) существуют всего 32 точечные группы симметрии анизотропных сред (кристаллические классы). Если же пространственное упорядочение частиц является только двумерным (одномерным) или отсутствует вовсе (жидкие кристаллы и анизотропные жидкости), то число типов симметрии анизотропных сред возрастает и определяется, например, взаимной корреляцией между ориентациями частиц. Такие фазовые состояния вещества, промежуточные между кристаллом и изотропной жидкостью, называемые мезоморфными состояниями.

Другим типом нарушения симметрии среды, отличным от анизотропии, является гиротропия. Среда гиротропна, если ее свойства меняются при зеркальных отражениях. Свойства гиротропных сред описываются псевдотензорными величинами (см. Псевдотензор).

С анизотропией (и гиротропией) связаны разнообразные явления. Однородная анизотропная среда оказывает существенное влияние на свойства распространяющихся в ней нормальных волн, определяя, в частности, их поляризацию и различие направлений распространения волнового (фазового) фронта и энергии волн (см. также Кристаллооптика и Двойное лучепреломление). В неоднородной анизотропной среде может происходить линейное взаимодействие поляризованных волн (см. Линейное взаимодействие волн), приводящее к перераспределению энергии между нормальными волнами, но не нарушающее принцип суперпозиции. Последний нарушается в случае нелинейного взаимодействия волн, которое в анизотропных средах также обладает своеобразными анизотропными свойствами (см. Нелинейная оптика и Нелинейная акустика). См. также Анизотропия, Магнитная анизотропия, Оптическая анизотропия.