Metastabiliteetti

Metastabiliteetti eli meta­stabiilius merkitsee ilmiötä, jossa systeemi voi pysyä pitkähkön ajan tilassa, jossa sen energia ei ole pienin mahdollinen. Systeemin ollessa meta­stabiilissa tilassa kaikki sen tilaa kuvaavat parametrit saavat stationaariset, vakioina pysyvät arvot.

Jokaisella eristetyllä systeemillä on tietty vakaa pienimmän energian tila eli perustila. Sen ohella systeemillä voi olla useitakin meta­stabiileja tiloja, jotka ovat kohtalaisen pysyviä. Meta­stabiilin tilan purkautuminen edellyttää yleensä tietyn määrän ulkoisesta lähteestä saatua energiaa, mutta kun tämä tapahtuu, energiaa vapautuu enemmän kuin tämän kynnysenergian verran (jota kemiassa sanotaan aktivointienergiaksi).

Metastabiilit systeemit ovat yleisiä monilla aloilla kuten mekaniikassa, kemiassa, termodynamiikassa ja atomi- ja ydinfysiikassa sekä elektroniikassa. Monet monimutkaiset luonnolliset ja keinotekoiset systeemit ovat meta­stabiileja. Sellaiset ovat yleisiä ainakin mekaniikassa, kemiassa, termo­dynamiikassa ja elektroniikassa. Nykyään meta­stabiiliuden käsitettä käytetään myös neurotieteissä ja päätöksentekoteoriassa.

Yksinkertainen esimerkki meta­stabiilista systeemistä on pallo mäen harjanteella olevassa kuopassa. Tällöin sen potentiaalienergia ei ole minimissään, mutta sillä on kuopan pohjan kohdalla paikallinen minimi, eikä se lähde liikkeeseen, ellei se saa ulkoisesta lähteestä lisää energiaa. Jos sitä kuitenkin työnnetään johonkin suuntaan sen verran, että se ylittää kuoppaa ympäröivän vallin, se alkaa vieriä alemmaksi.

Takaisinkytkennällä varustetut dynaamiset systeemit kuten elektroniset piirit, signaaliliikenne, päätöksentekojärjestelmät ja neurotieteelliset systeemit ovat stabiileja tai meta­stabiileja riippuen siitä, pysyykö aktiivisten ja reaktiivisten mallien suhde ulkoisiin vaikutuksiin ajallisesti vakiona vai ei. Näissä termisten fluktuaatioiden vastineena on niin sanottu valkoinen kohina, joka vaikuttaa signaalinen etenemiseen ja päätöksentekoon.