Forskere har opdaget et nyt fysisk paradoks

Forskere fra Peter the Great St.Petersburg Polytechnic University (SPbPU) har opdaget og teoretisk forklaret en ny fysisk effekt:amplituden af ​​mekaniske vibrationer kan vokse uden ydre påvirkning. Den videnskabelige gruppe tilbød deres forklaring på, hvordan man fjerner Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou-paradokset.

Forskerne fra SPbPU forklarede det ved hjælp af et enkelt eksempel:at rocke en gynge, du skal blive ved med at skubbe til det. Det antages generelt, at det er umuligt at opnå oscillerende resonans uden konstant ekstern påvirkning.

Imidlertid, den videnskabelige gruppe på Higher School of Theoretical Mechanics, Institute of Applied Mathematics and Mechanics SPbPU opdagede et nyt fysisk fænomen 'ballistisk resonans, "hvor mekaniske svingninger kun kan spændes på grund af interne termiske ressourcer i systemet.

Det eksperimentelle arbejde fra forskere fra hele verden demonstrerede, at varmen spredes ved unormalt høje hastigheder ved nano- og mikroniveau i ultrarene krystallinske materialer. Dette fænomen kaldes ballistisk varmeledningsevne.

Den videnskabelige gruppe under tilsyn af det tilsvarende medlem af Russian Academy of Sciences Anton Krivtsov, udledte ligningerne, der beskriver dette fænomen, og gjorde betydelige fremskridt i den overordnede forståelse af termiske processer på mikro-niveau. I undersøgelsen offentliggjort i Fysisk gennemgang E forskere overvejede systemadfærden ved den indledende periodiske temperaturfordeling i krystalmaterialet.

Det opdagede fænomen beskriver, at processen med varmeækvilibrering fører til mekaniske vibrationer med en amplitude, der vokser med tiden. Effekten kaldes ballistisk resonans.

"I løbet af de sidste par år har vores videnskabelige gruppe har undersøgt mekanismerne for varmefordeling på mikro- og nano -niveauet. Vi fandt ud af, at på disse niveauer, varmen spredes ikke på den måde, vi havde forventet det:f.eks. varme kan strømme fra kold til varm. Denne adfærd i nanosystemer fører til nye fysiske effekter, såsom ballistisk resonans, "sagde lektor ved Higher School of Theoretical Mechanics SPbPU Vitaly Kuzkin.

Ifølge ham, i fremtiden planlægger forskerne at analysere, hvordan dette kan bruges i så lovende materialer som, for eksempel, grafen.

Disse opdagelser giver også mulighed for at løse paradokset i Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou. I 1953, en videnskabelig gruppe ledet af Enrico Fermi udførte et computereksperiment, der senere blev berømt. Forskere betragtede den enkleste model for svingninger af en kæde af partikler forbundet med fjedre. De antog, at den mekaniske bevægelse gradvist ville forsvinde, bliver til kaotiske termiske svingninger. Stadig, resultatet var uventet:svingningerne i kæden forfaldt først næsten, men genoplivede derefter og nåede næsten det oprindelige niveau. Systemet kom til sin oprindelige tilstand, og cyklussen gentog sig. Årsagerne til mekaniske svingninger fra termiske vibrationer i det betragtede system har været genstand for videnskabelig forskning og tvister i årtier.

Amplituden af ​​mekaniske vibrationer forårsaget af ballistisk resonans stiger ikke uendeligt, men når sit maksimum; derefter begynder det gradvist at falde til nul. Til sidst, mekaniske svingninger falmer fuldstændigt, og temperaturen ækvilibreres i hele krystallen. Denne proces kaldes termalisering. For fysikere, dette eksperiment er afgørende, fordi en kæde af partikler forbundet med fjedre er en god model af krystalmateriale.

Forskere fra Higher School of Theoretical Mechanics viste, at overgangen af ​​mekanisk energi til varme er irreversibel, hvis vi betragter processen ved den endelige temperatur.

"Som regel, det tages ikke i betragtning, at i virkelige materialer, der er en termisk bevægelse, sammen med en mekanisk, og energien ved termisk bevægelse er flere størrelsesordener højere. Vi genskabte disse forhold i et computerforsøg og viste, at det er den termiske bevægelse, der dæmper den mekaniske bølge og forhindrer genoplivning af svingninger, "forklarede Anton Krivtsov, direktør for Higher School of Theoretical Mechanics SPbPU, tilsvarende medlem af Russian Academy of Sciences.

Ifølge eksperter, den teoretiske tilgang foreslået af SPbPU -forskerne demonstrerer en ny tilgang til, hvordan vi forstår varme og temperatur. Det kan være fundamentalt i udviklingen af ​​nanoelektroniske enheder i fremtiden.