Іноді знання вже є – їх просто не помітили. Приблизно п’ятдесят років унікальна вібраційна поведінка скла при низьких температурах бентежила фізиків. Причина: скло переносить звукові хвилі та вібрацію інакше, ніж інші тверді тіла – воно «вібрує по-іншому». Але чому?
А як правильно розрахувати поширення звуку в склі? Два фізики з Констанца, Маттіас Фукс і Флоріан Фогель, тепер знайшли рішення – взяли стару модель, яка була створена близько 20 років тому і була відхилена на той час експертами, і переробили її. Їх новий погляд на стару теорію опубліковано в журналі Physical Review Letters.
Згасають коливання
Якщо ви пошлете звукові хвилі через скло і виміряєте їх дуже точно, ви помітите певне затухання коливань, якого немає в інших твердих тілах. Це має далекосяжні наслідки для теплових властивостей скла, таких як теплопередача та теплоємність. Цей ефект добре відомий у фізиці, але досі не існувало теоретичної моделі, яка могла б його правильно описати – і забезпечити основу для більш складних розрахунків поширення звуку в склі.
Склянки є невпорядкованими твердими тілами. На відміну від кристалічних твердих тіл, частинки скла не розташовані регулярно. У більшості твердих тіл частинки сидять майже ідеально «вишикуваними», як будівельні блоки, розташовані в точній решітці. Коли в таких кристалічних твердих тілах за низьких температур збуджується хвилеподібна вібрація, частинки передають вібрацію своїм сусідам без загасання. Вібрація проходить у вигляді рівномірної хвилі без втрат, що можна порівняти з хвилею ла-ола на стадіоні.
Не так у склі: його частинки не розташовані в регулярній решітці, а мають випадкові позиції без суворого порядку. Зустрічні хвилі коливань не переносяться рівномірно. Замість цього вібрації надходять у випадкові позиції частинок і переносяться вперед у відповідному випадковому порядку. В результаті однорідна хвиля розбивається і розсіюється на кілька менших хвиль. Цей ефект дисперсії викликає демпфування. Фізик Лорд Релей використав цей механізм розсіювання світла нерівномірностями в атмосфері, щоб пояснити блакитний колір неба, тому цей ефект називають «згасанням Релея».
Повторне відкриття відкинутої моделі
Близько 20 років тому фізики Марк Мезард, Джорджіо Парізі (Нобелівська премія з фізики 2021 року), Ентоні Зі та їхні колеги описали ці аномалії у склі за допомогою моделі коливань у випадкових положеннях, відомої як «підхід евклідової випадкової матриці» (ERM).
«Проста модель, яка в основному була рішенням», — каже Матіас Фукс, професор теорії м’якої конденсованої речовини в Університеті Констанца. Однак модель все ж мала деякі невідповідності, тому була відкинута експертами – і пішла в Лету.
Матіас Фукс і його колега Флоріан Фогель знову взялися за стару модель. Вони знайшли рішення відкритих питань, на які наукове співтовариство не могло відповісти на той час, і дослідили переглянуту модель, подивившись на її діаграми Фейнмана. Ці корисні графіки були введені Річардом Фейнманом у квантову теорію поля та виявили закономірності в структурах розсіяних хвиль.
Результати Матіаса Фукса та Флоріана Фогеля дали реальні розрахунки поширення звуку та ефекту демпфування у склі. «Мезард, Парізі та Зі мали рацію у своїй глибокій моделі — гармонічні коливання в невпорядкованому порядку пояснюють аномалії скла при низьких температурах», — пояснює Фукс.
Однак знову відкрита модель — це далеко не кінець історії: «Для нас це відправна точка: ми знайшли правильну модель, яку тепер можемо використовувати для подальших розрахунків, особливо квантово-механічних ефектів», — Матіас Фукс. каже. «Хороші вібрації» для дослідження. Джерело