Почему стекло заглушает звук? Ученые разрешили одну из загадок физики

14.10.2024

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.

На протяжении около пятидесяти лет физики задавались вопросом о том, почему стекло проявляет уникальное вибрационное поведение при низких температурах. Ответ кроется в особенностях стекла, которое «вибрирует по-другому» по сравнению с другими твердыми телами. Для правильного расчета распространения звука в стекле требовалась теоретическая модель, способная объяснить этот эффект, и физики из Университета Констанца, Маттиас Фукс и Флориан Фогель, снова обратились к старой модели, переработав и дополнив ее.

Стекло имеет неупорядоченную структуру, в отличие от кристаллических твердых тел, и вибрации в нем передаются случайным образом. В результате волны разбиваются на мелкие волны, что приводит к эффекту затухания. Этот эффект известен как «рэлеевское затухание», и его наблюдали при прохождении звуковых волн через стекло.

В большинстве твердых тел частицы располагаются почти идеально "в линию»", подобно строительным блокам, образующим точную решетку. Когда в таких кристаллических телах возбуждаются волнообразные колебания при низких температурах, частицы передают колебание своим соседям, не затухая. 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 вибрации достигают случайных положений частиц и переносятся вперед по соответствующей случайной схеме.

Физики Мезар, Паризи и Зи предложили модель "подхода евклидовой случайной матрицы" для объяснения аномалий стекла, 20 лет назад. Однако, она содержала несоответствия и была отвергнута экспертами. Теперь Маттиас Фукс и Флориан Фогель нашли точные ответы на открытые вопросы и использовали диаграммы Фейнмана, чтобы уточнить модель. Результаты их исследования позволили правильно рассчитать распространение звука и демпфирующий эффект в стекле при низких температурах.

Это открытие является отправной точкой для дальнейших исследований, особенно в области квантово-механических эффектов. Найденная точная модель позволяет более глубоко понять особенности стекла и его поведение при низких температурах.

Теги: