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俄罗斯科学家发现了新的物理悖论-弹道共振

彼得圣彼得堡理工大学(SPbPU)的研究人员发现并从理论上解释了一种新的物理效应:机械振动的振幅可以在没有外界影响的情况下增长。此外,科学小组还解释了如何消除费米-意大利面-乌拉姆-琴沟悖论。

SPbPU的科学家们用一个简单的例子来解释它:要摇动秋千,你必须不断地推它。一般认为,如果没有恒定的外部影响,振荡谐振是不可能实现的。

然而,应用数学与力学研究所理论力学高等学院科研小组发现了一种新的物理现象——弹道共振。其中机械振动只能由于系统的内部热源而激发。

来自世界各地的研究人员的实验工作表明,在超纯晶体材料中,热以异常高的速度在纳米和微水平上传播。这种现象被称为弹道热传导。

科研组指导了俄罗斯科学院相应成员Anton Krivtsov,推导出了描述这一现象的方程,并在微观层面上对热过程的整体理解方面取得了重大进展。在发表在《物理评论》上的研究中,研究人员考虑了晶体材料中温度初始周期分布时的系统行为。

所发现的现象描述了热平衡的过程导致了振幅随时间增长的机械振动。这种效应被称为弹道共振。

在过去的几年中,我们的科学小组一直在研究热传播的微观和纳米水平的机制。我们发现在这些层面上,热量并不像我们预期的那样传播:例如,热量可以从冷流动到热。纳米系统的这种行为导致了新的物理效应,如弹道共振。理论力学高等学院副教授维塔利·库兹金说。

他表示,研究人员计划在未来分析如何将其应用于石墨烯等有前景的材料中。

这些发现也提供了一个机会来解决费米意大利面-乌拉姆-青岛悖论。1953年,由恩里科·费米领导的一个科学小组进行了一个后来出名的计算机实验。科学家们研究了弹簧连接的粒子链振动的最简单模型。他们假设机械运动会逐渐消失,变成混沌的热振荡。尽管如此,结果还是出乎意料的:链上的振荡起初几乎衰减,但随后又恢复并接近初始水平。系统回到了初始状态,循环不断重复。该系统热振动引起的机械振动的原因几十年来一直是科学研究和争论的主题。

弹道共振引起的机械振动振幅不是无限增大的,而是达到最大值,之后逐渐减小为零。最终,机械振动完全消失,温度在整个晶体中达到平衡。这个过程叫做热化。对于机械学家和物理学家来说,这个实验至关重要,因为由弹簧连接的粒子链是晶体材料的一个很好的模型。

理论力学高等学院的研究人员证明,如果我们考虑有限温度下的过程,机械能转化为热量是不可逆的。

在实际材料中,除了机械运动外,还存在一种热运动,而热运动的能量要高出几个数量级,这通常不被考虑在内。我们在计算机实验中重新创造了这些条件,并证明是热运动抑制了机械波,阻止了振荡的恢复。俄罗斯科学院通讯成员、理论力学高等学院院长Anton Krivtsov解释说。

专家认为,SPbPU科学家提出的理论方法为我们理解热量和温度提供了一种新的方法。它可能是未来纳米电子器件发展的基础。

参考文献:有限温度下费米-意大利面-乌拉姆-青岛链的弹道共振和热化作者:Vitaly A. Kuzkin和Anton M. Krivtsov, 2020年4月16日,物理评论E。

DOI: 10.1103 / PhysRevE.101.042209

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