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科学家们发现了一个新的物理悖论

更新时间:2020-08-01 22:48点击:

彼得圣彼得堡理工大学(SPbPU)的研究人员发现并从理论上解释了一种新的物理效应:机械振动的振幅可以在没有外界影响的情况下增长。科学小组对如何消除费米-意大利面-乌拉姆-琴沟悖论给出了解释。

SPbPU的科学家们用一个简单的例子来解释它:要摇一个秋千,你必须不断地推它。一般认为,如果没有恒定的外部影响,振荡谐振是不可能实现的。

然而,理论力学高等学校的科学小组,应用数学和力学研究所SPbPU发现了一个新的物理现象“弹道共振”,在那里机械振动可以被激发只有由于内部的热资源的系统。

来自世界各地的研究人员的实验工作表明,在超纯晶体材料中,热以异常高的速度在纳米和微水平上传播。这种现象称为弹道热传导。

由俄罗斯科学院相应成员Anton Krivtsov领导的科学小组,推导出了描述这一现象的方程,并在微观层面上对热过程的全面理解上取得了重大进展。在发表在《物理评论》上的研究中,研究人员考虑了晶体材料中温度初始周期分布时的系统行为。

所发现的现象描述了热平衡的过程导致了振幅随时间增长的机械振动。这种效应被称为弹道共振。

“在过去的几年里,我们的科学小组一直在研究热传播的微观和纳米水平的机制。我们发现,在这些层面上,热量并不像我们预期的那样传播:例如,热量可以从冷流动到热。纳米系统的这种行为导致了新的物理效应,比如弹道共振。

他表示,未来研究人员计划分析如何将其应用于石墨烯等有前景的材料中。

这些发现也为解决费米-意大利面-乌拉姆-津古悖论提供了机会。1953年,由恩里科·费米领导的一个科学小组进行了一个后来出名的计算机实验。科学家们研究了弹簧连接的粒子链振动的最简单模型。他们假设机械运动会逐渐消失,变成混沌的热振荡。尽管如此,结果还是出乎意料的:链上的振荡起初几乎衰减,但随后又恢复并接近初始水平。系统回到了初始状态,循环不断重复。该系统热振动引起的机械振动的原因几十年来一直是科学研究和争论的主题。

弹道共振引起的机械振动振幅不是无限增大,而是达到最大;之后,它开始逐渐减少到零。最终,机械振动完全消失,整个晶体的温度趋于平衡。这个过程叫做热化。对于物理学家来说,这个实验至关重要,因为由弹簧连接的粒子链是晶体材料的一个很好的模型。

理论力学高等学院的研究人员证明,如果我们考虑有限温度下的过程,机械能转化为热量是不可逆的。

“在实际材料中,通常不考虑热运动和机械运动,热运动的能量要高出几个数量级。我们在计算机实验中重新创造了这些条件,并证明热运动抑制了机械波,阻止了振荡的恢复。

专家认为,SPbPU科学家提出的理论方法为我们理解热和温度提供了一种新的方法。它可能是未来纳米电子器件发展的基础。