|
Тайна того, как стекло гасит звук
|
|
|
|
Около полувека физики ломали голову над колебаниями стекла при низких температурах. Причина: стекло переносит звуковые волны и вибрации не так, как другие твердые тела — оно «вибрирует иначе». Но почему? А как правильно рассчитать распространение звука в стекле? Два физика из Констанцского университета, Матиас 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. Если вы пошлете звуковые волны через стекло 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 не так. Его частицы расположены не в регулярной решетке, а имеют случайные положения 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». 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 по сути была решением», — говорит Маттиас Фукс, профессор теории мягких конденсированных сред в Констанцском университете. Однако в модели все же были некоторые несоответствия, поэтому она 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 Маттиаса 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 вновь 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», — говорит Матиас Фукс. «Хорошие вибрации» для исследований.
|
|
|
|
Источник
|
