Физики возрождают старую теорию, чтобы разгадать тайну 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 и как правильно рассчитать распространение звука в стекле? Два физика из Констанцского университета (Германия), Матиас Фукс и Флориан Фогель, нашли решение, взяв за основу старую теорию, созданную около 20 лет назад и в то время отвергнутую. Их новый взгляд 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 теплопередачи и теплоемкости стекла. Эффект хорошо известен в физике, но до сих пор не существовало теоретической модели, которая могла бы его объяснить и обеспечить основу для более сложных расчетов распространения звука в стекле.

Стекло — неупорядоченное твердое тело. В отличие от кристаллических твердых тел, частицы, из которых состоит стекло, расположены неравномерно. При волнообразных колебаниях в кристаллических телах при низких температурах частицы без затухания передают колебание своим соседям. Вибрация проходит равномерной волной без потерь.

В стекле не так. Его частицы расположены случайным образом без строгого порядка — колебательные волны распространяются неравномерно. В результате однородная волна разбивается и распадается на несколько более мелких.

Около 20 лет назад физики описали эти аномалии в стекле с помощью модели «подход евклидовой случайной матрицы» (ERM). Однако в ней все же были некоторые несоответствия, поэтому она была отвергнута.

В новом исследовании снова взялись за старую теорию и нашли ответы на открытые вопросы с помощью диаграмм Фейнмана. Эти полезные графики были введены Ричардом Фейнманом в квантовой теории поля и показали закономерности в структуре рассеянных волн. Результаты обеспечили точные расчеты распространения звука в стекле. Теперь физики смогут проводить точные расчеты квантово-механических эффектов