Ученые из Санкт-Петербурга обнаружили новый физический парадокс
Ученые Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) обнаружили и теоретически объяснили новый физический эффект.
Исследование опубликованно в Physical Review E, кратко о нем сообщает РИА «Новости».
Научная группа Высшей школы теоретической механики Института прикладной математики и механики СПбПУ обнаружила новое физическое явление – баллистический резонанс, при котором механические колебания могут возбуждаться исключительно за счет внутренних тепловых ресурсов системы. Исследователи объяснили свое открытие на простом примере: ранее считалось, что чтобы качать качели, их нужно постоянно подталкивать, а добиться колебательного резонанса без постоянного внешнего воздействия невозможно.
Ключом к пониманию нового явления оказались экспериментальные работы, показавшие, что в сверхчистых кристаллических материалах на нано- и микроуровне тепло распространяется с аномально высокой скоростью. Этот феномен назвали баллистической теплопроводностью.
Научная группа под руководством члена-корреспондента РАН Антона Кривцова рассмотрела поведение систем при начальном периодическом распределении температуры в кристаллическом материале.
Они обнаружили, что процесс выравнивания тепла приводит к возникновению механических колебаний с возрастающей со временем амплитудой. Эффект получил название баллистического резонанса.
«Последние несколько лет наша научная группа занимается исследованием механизмов распространения тепла на микро- и наноуровне. В процессе работы мы обнаружили, что на этих уровнях тепло распространяется совсем не так, как мы ожидали – например, тепло может течь от холодного к горячему. Такое поведение наносистем приводит к новым физическим эффектам, таким как баллистический резонанс», – отметил доцент Высшей школы теоретической механики СПбПУ Виталий Кузькин. По его словам, в дальнейшем ученые хотят понять, как это можно использовать в таких перспективных материалах, как, например, графен.
Эти открытия также дают возможность разрешения парадокса Ферми-Паста-Улама-Цингу, который был описан почти 70 лет назад. В 1953 году научная группа, возглавляемая Энрико Ферми, провела компьютерной эксперимент: ученые рассмотрели простейшую модель колебаний цепочки частиц, соединенных пружинками. Предполагалось, что механическое движение постепенно затухнет и превратится в хаотические тепловые колебания. Однако колебания в цепочке сначала практически затухли, а затем возобновились и почти достигли исходного уровня. Затем система пришла в начальное состояние, и цикл снова повторился. Причины появления механических колебаний из тепловых в рассмотренной системе на десятилетия стали предметом исследований и споров.
Исследователи Высшей школы теоретической механики СПбПУ показали, что переход механической энергии в тепло происходит необратимо, если рассматривать процесс при конечной температуре.
«Обычно не учитывается, что в реальных материалах, наряду с механическими, присутствует тепловое движение, энергия которого на несколько порядков выше. Мы воссоздали эти условия в компьютерном эксперименте и показали, что именно тепловое движение гасит механическую волну и препятствует возрождению колебаний», – пояснил директор Высшей школы теоретической механики СПбПУ, член-корреспондент РАН Антон Кривцов.
По мнению ученых, выводы исследователей СПбПУ позволят по-новому взглянуть на то, что понимается под теплом и температурой. Это может иметь основополагающее значение при разработке наноэлектронных устройств в будущем.
Фото: СПбГУ
