Lydens mærkelige opførsel gennem faste stoffer

Ikke alt skal ses for at blive troet; visse ting høres lettere, som et tog, der nærmer sig sin station. I et nyligt papir, offentliggjort i Physical Review Letters , har forskere lagt ørene til skinnen og opdaget en ny egenskab til at sprede amplituder baseret på deres undersøgelse af lydbølger gennem fast stof.

Uanset om det er lys eller lyd, overvejer fysikere sandsynligheden for partikelinteraktioner (ja, lyd kan opføre sig som en partikel) i form af sandsynlighedskurver eller spredningsamplituder. Det er almindelig overbevisning, at når momentum eller energi af en af ​​de spredte partikler går til nul, skal spredningsamplituder altid skaleres med heltals potenser af momentum (dvs. p ¹ , p ² , p ³ , etc.). Hvad forskerholdet fandt var imidlertid, at amplituden kan være proportional med en brøkeffekt (dvs. p ^1/2 , p ^1/3 , p ^1/4 osv.).

Hvorfor betyder det noget? Mens kvantefeltteorier, såsom standardmodellen, tillader forskere at lave forudsigelser om partikelinteraktioner med ekstrem nøjagtighed, er det stadig muligt at forbedre det nuværende grundlag for fundamental fysik. Når en ny adfærd påvises – såsom fraktionel-power-skalering – får videnskabsmænd mulighed for at revidere eller revidere eksisterende teorier.

Dette arbejde, udført af Angelo Esposito (Institute for Advanced Study), Tomáš Brauner (University of Stavanger) og Riccardo Penco (Carnegie Mellon University), overvejer specifikt lydbølgernes interaktioner i faste stoffer. For at visualisere dette koncept skal du forestille dig en træblok med højttalere placeret i begge ender. Når højttalerne er tændt, møder to lydbølger - fononer - hinanden og spredes, svarende til kollisioner i en partikelaccelerator. Når en højttaler er justeret til en vis grænse, således at phononens momentum er nul, kan den resulterende amplitude være proportional med en brøkeffekt. Denne skaleringsadfærd, forklarer holdet, er sandsynligvis ikke begrænset til fononer i faste stoffer, og dens genkendelse kan hjælpe med studiet af spredningsamplituder i mange forskellige sammenhænge, ​​fra partikelfysik til kosmologi.

"De detaljerede egenskaber ved spredningsamplituder er for nylig blevet undersøgt med stor kraft," sagde Esposito. "Målet med dette brede program er at klassificere mulige adfærdsmønstre for spredningsamplituder, for både at gøre nogle af vores beregninger mere effektive og mere ambitiøst at bygge nye grundlag for kvantefeltteori."

Feynman-diagrammer har længe været et uundværligt værktøj for partikelfysikere, men de har visse begrænsninger. For eksempel kan beregninger med høj nøjagtighed kræve, at titusindvis af Feynman-diagrammer indtastes i en computer for at beskrive partikelinteraktioner. Ved at opnå en bedre forståelse af spredningsamplituder kan forskerne måske nemmere identificere partikeladfærd frem for at stole på top-down-tilgangen fra Feynman-diagrammer og dermed øge effektiviteten af ​​beregninger.

"Det nuværende arbejde afslører en drejning i historien, der viser, at fysik af kondenseret stof udviser meget rigere fænomenologi med spredningsamplituder, end hvad man tidligere har set i fundamental, relativistisk fysik," tilføjede Esposito. "Opdagelsen af ​​brøkkraftskalering inviterer til yderligere arbejde med at sprede amplituder af kollektive oscillationer af stof, hvilket placerer faste stoffer i fokus." + Udforsk yderligere

Smed nye veje inden for partikelfysik