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圣彼得堡工业大学(SPbPU)物理学家发现了一个新的悖论
来源:煎蛋 | 2020/7/18 9:23:27 | 浏览:50 | 评论:0

圣彼得堡工业大学(SPbPU)物理学家发现了一个新的悖论

简要描述一下新发现。机械振动的振子在无外力的影响下,振幅变大了。原因是机械振动导致——相当于弹簧反复压缩,做功产生热量——系统温度升高。系统增加的热量转化成动能,使振子振幅增大!乍一听,机械能转化为热能,热能又转为机械能,同时提高了振幅……振子的能量越来越大?其实不然,后面有解释。同时,这是在特殊的晶体材质下才会发生的现象。

圣彼得堡工业大学(SPbPU)的研究人员发现并从理论上解释了一种新的物理现象:机械振动的振幅可以在没有外部影响的情况下自发变大。

通常认为,没有恒定的外部影响就不可能实现振荡共振。但是,应用数学和力学研究所理论力学高等科学小组发现了一种新的物理现象——“弹道共振”,其中仅由系统内部的热能就可激发机械振荡。

世界各地的实验工作表明,超纯晶体材料中的热量以纳米和微米级的速度传播。这种现象被称为弹道热导率。

安东·克里夫佐夫(Anton Krivtsov)负责的科学小组推导出了描述这一现象的方程式,并在微观层面对热过程的整体认知上取得了重大进展。在《物理评论 E》 上发表的论文里,研究人员考虑了晶体材料中温度初始周期性分布时的系统行为。

据他介绍,未来研究人员计划分析如何将新效应应用在诸如石墨烯等有前途的材料上。

这些发现也提供了解决Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou 悖论的机会。1953年,由恩里科·费米(Enrico Fermi)领导的团队进行了一次后来闻名遐迩的计算机模拟实验。科学家们分析由弹簧连接的一连串粒子振动的最简单模型。他们认为机械运动会逐渐消失,变成混乱的热振荡。但结果出人意料:链中的振荡首先近乎衰减至0,但随后又恢复并达到了接近初始水平。系统进入其初始状态,并且循环不断。数十年来,由热振动引起的机械振荡的原因一直是科学研究和争论的主题。

弹道共振引起的机械振动幅度不会无限增大,而是会达到最大值。之后,它开始逐渐减小到零。最终,机械振荡完全消失,并且温度在整个晶体中达到平衡。该过程被称为热化。对于物理学家来说,该实验至关重要,因为通过弹簧连接的一连串粒子是晶体材料的良好模型。

理论力学高等学院的研究人员表明,如果我们在有限的温度下考虑该过程,则机械能向热的转化是不可逆的。

根据专家的说法,SPbPU科学家提出的理论方法为我们理解热量和温度提供了一种新角度。这可能是未来纳米电子器件发展的基础。

更多信息:Vitaly A. Kuzkin等人,Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou ,《物理评论E》(2020年)。DOI:10.1103/PhysRevE.101.042209

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