Новости

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.

Баллистический резонанс в одномерном нанокристалле

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

Читайте также
Физики научились обращать вспять световые волны
Физики научились обращать вспять световые волны
Волна сама прослеживает свой путь в обратном направлении, возвращаясь к исходной точке.
В Великобритании стартовал новаторский эксперимент по получению энергии
В Великобритании стартовал новаторский эксперимент по получению энергии
Ядерный синтез безопаснее ядерного распада.
Открытие на Большом адронном коллайдере указывает на неизвестную фундаментальную силу или элементарную частицу
Открытие на Большом адронном коллайдере указывает на неизвестную фундаментальную силу или элементарную частицу
Однако разбираться в этом можно будет начать не раньше 2022 года.