Возрождение отвергнутой теории: исследователи разгадывают полувековую загадку физики

 Как стекло глушит звук: исследователи Констанцского университета решают загадку физики, заново открывая отвергнутую теорию.

Около 50 лет ученые недоумевали, почему стекло проводит звуковые волны и вибрации иначе, чем другие твердые тела при низких температурах. Два физика решили эту загадку, пересмотрев старую, заброшенную модель, которая точно объясняет необычное поведение стекла. (Фото: scitechdaily.com)

Иногда знание уже есть — его просто упускают из виду. В течение примерно пятидесяти лет уникальное вибрационное поведение стекла при низких температурах озадачивало физиков.

Причина: стекло переносит звуковые волны и вибрации иначе, чем другие твердые тела — оно «вибрирует по-другому». Но почему?

А как правильно рассчитать распространение звука в стекле? Два физика из Констанца, Маттиас Фукс и Флориан Фогель, нашли решение, взяв за основу старую модель, созданную около 20 лет назад и в то время отвергнутую экспертами, и переработав ее. Их новый взгляд на старую теорию теперь опубликован в журнале Physical Review Letters.

Затухающие вибрации

Если вы пропустите через стекло звуковые волны и очень точно измерите их, то заметите некоторое затухание колебаний, отсутствующее в других твердых телах. Это имеет далеко идущие последствия для тепловых свойств стекла, таких как теплопередача и теплоемкость. Этот эффект хорошо известен в физике, но до сих пор не существовало теоретической модели, которая могла бы его правильно описать и обеспечить основу для более сложных расчетов распространения звука в стекле.

Стекла представляют собой неупорядоченные твердые тела. В отличие от кристаллических твердых тел частицы, из которых состоит стекло, расположены неравномерно. В большинстве твердых тел частицы располагаются почти идеально «в линию», подобно строительным блокам, образующим точную решетку. При возбуждении волнообразных колебаний в таких кристаллических телах при низких температурах частицы без затухания передают колебание своим соседям. Вибрация проходит равномерной волной без потерь, сравнимой с волной ла-ола на стадионе.

В стекле все иначе: его частицы расположены не в регулярной решетке, а в случайном порядке без строгого порядка. Встречные колебательные волны распространяются неравномерно. Вместо этого колебания достигают случайных положений частиц и переносятся вперед по соответствующему случайному образцу.

В результате однородная волна разбивается и распадается на несколько более мелких волн. Этот дисперсионный эффект вызывает затухание. Физик лорд Рэлей использовал этот механизм рассеяния света неоднородностями в атмосфере для объяснения голубого цвета неба, поэтому этот эффект получил название «рэлеевское затухание».

Повторное открытие выброшенной модели

Около 20 лет назад физики Марк Мезар, Джорджио Паризи (Нобелевская премия по физике 2021 г.), Энтони Зи и их коллеги описали эти аномалии в стекле с помощью модели колебаний в случайных положениях, известной как «подход евклидовой случайной матрицы» (ERM).

«Простая модель, которая в основном была решением», — говорит Матиас Фукс, профессор теории мягких конденсированных сред в Университете Констанца. Однако модель все же имела некоторые несоответствия и поэтому была отвергнута экспертами – и канула в Лету.

Матиас Фукс и его коллега Флориан Фогель снова взялись за старую модель. Они нашли ответы на открытые вопросы, на которые научное сообщество не могло ответить в то время, и изучили пересмотренную модель, взглянув на ее диаграммы Фейнмана. Эти полезные графики были введены Ричардом Фейнманом в квантовой теории поля и выявили закономерности в структуре рассеянных волн.

Результаты Матиаса Фукса и Флориана Фогеля обеспечили точные расчеты распространения звука и демпфирующего эффекта в стекле. «Мезар, Паризи и Зи были правы в своей проницательной модели — гармонические колебания в неупорядоченном расположении объясняют аномалии стекла при низких температурах», — объясняет Фукс.

Однако заново открытая модель — это далеко не конец истории: «Для нас это отправная точка: мы нашли правильную модель, которую теперь можем использовать для дальнейших расчетов, особенно квантово-механических эффектов», — Маттиас Фукс. говорит. «Хорошие вибрации» для исследований.

Источник