重拾被遗弃的理论 - 研究人员准确地解释了玻璃的特殊行为

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重拾被遗弃的理论 - 研究人员准确地解释了玻璃的特殊行为

有时，知识早已存在，只是被忽视了。大约五十年来，玻璃在低温下的独特振动行为一直困惑着物理学家。玻璃传递声波和振动的方式与其他固体不同，即"振动方式不同"。这是为什么呢？

大约 50 年来，科学家们一直困惑于玻璃在低温下传导声波和振动的方式为何不同于其他固体。现在，两位物理学家通过修改一个被废弃的旧模型，准确地解释了玻璃的特殊行为，从而解开了这个谜题。

如何正确计算声音在玻璃中的传播？康斯坦茨大学的两位物理学家马蒂亚斯-福克斯（Matthias Fuchs）和弗洛里安-沃格尔（Florian Vogel）现在找到了答案--他们采用了一个大约 20 年前创建、当时遭到专家反对的旧模型，并对其进行了重新加工。他们对这一古老理论的新看法现已发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上。

阻尼振动

如果你将声波穿过玻璃并对其进行精确测量，你会发现在其他固体中不存在的某种阻尼振动。这对玻璃的热特性，如热传导和热容量，有着深远的影响。这种效应在物理学中是众所周知的，但直到现在，还没有一个理论模型能够正确描述它，并为更复杂的玻璃中声音传播计算提供框架。

玻璃是无序固体。与结晶固体不同，组成玻璃的颗粒并不是规则排列的。在大多数固体中，颗粒几乎完美地"排列"在一起，就像积木一样排列在一个精确的晶格中。在低温条件下，当波浪状振动在这种晶体固体中被激发时，颗粒会将振动传递给相邻的颗粒，而不会产生阻尼。振动在均匀的波浪中无损耗地运行，就像体育馆中的啦啦队人浪一样。

玻璃则不然： 玻璃中的粒子并不是排列在规则的晶格中，而是随机位置，没有严格的顺序。迎面而来的振荡波并不是以均匀的模式传播的。相反，振动到达粒子的随机位置，并以相应的随机模式向前传播。

其结果是，均匀的波被打破并分散成几个较小的波。这种分散效应导致了阻尼。物理学家 Lord Rayleigh 利用大气中不规则现象对光的这种散射机制来解释天空的蓝色，因此这种效应被称为"瑞利阻尼"。

重新发现被废弃的模型

大约 20 年前，物理学家马克-梅扎德（Marc Mezard）、乔治-帕里西（Giorgio Parisi，2021 年诺贝尔物理学奖获得者）、安东尼-泽（Anthony Zee）及其同事用一种被称为"欧几里得随机矩阵法"（ERM）的随机位置振荡模型描述了玻璃中的这些异常现象。

康斯坦茨大学软凝聚态理论教授马蒂亚斯-福克斯（Matthias Fuchs）说："这是一个简单的模型，基本上就是解决方案。然而，该模型仍然存在一些不一致的地方，因此被专家们抛弃，并逐渐被遗忘。"

马蒂亚斯-福斯和他的同事弗洛里安-沃格尔（Florian Vogel）重新开始研究这个旧模型。他们找到了当时科学界无法回答的开放性问题的解决方案，并通过观察费曼图研究了修订后的模型。这些有用的图是理查德-费曼在量子场论中提出的，揭示了散射波模式的规律性。

马蒂亚斯-福克斯和弗洛里安-沃格尔的研究结果为声音在玻璃中的传播和阻尼效应提供了真实的计算结果。Fuchs解释说："Mezard、Parisi和Zee的洞察模型是正确的--无序排列的谐波振荡解释了玻璃在低温下的异常现象。"

然而，重新发现的模型远非故事的结束："对我们来说，这是一个起点：我们已经找到了正确的模型，现在可以用它来进行进一步的计算，尤其是量子力学效应的计算。为研究带来"良好的振动"。