Прозрачно для света, но не для звука. Новая теория объясняет эту аномалию стекла

Стекло — необычный материал. Оно не только пропускает свет и защищает от холода, но и ведет себя по-особенному при передаче звука и колебаний. Когда звуковая волна проходит через стекло, она теряет часть своей энергии из-за внутреннего трения между частицами стекла. Это приводит к тому, что амплитуда колебаний уменьшается по мере распространения волны. Это явление называется затуханием колебаний. Уже полвека физики ломают голову над тем, почему стекло затухает сильнее, чем другие твердые тела, и как правильно рассчитать распространение звука в стекле. Ответ на эти вопросы нашли два физика из Университета Констанца — Маттиас Фукс и Флориан Фогель. Они вернулись к старой модели, которая была предложена около 20 лет назад и отвергнута экспертами тогдашнего времени, и доработали ее. Их новый взгляд на старую теорию был опубликован в журнале Physical Review Letters.


Затухание колебаний — это общее свойство всех твердых тел, но оно проявляется по-разному в зависимости от структуры материала. Структура материала определяет, как упорядочены его частицы (атомы, молекулы, ионы) в пространстве. В большинстве твердых тел частицы сидят почти идеально «выровненные», как строительные блоки, расположенные в точной решетке. Такие материалы называются кристаллическими. Примерами кристаллических материалов являются металлы, соль, сахар и алмаз. Когда в таких кристаллических твердых телах при низких температурах возбуждается волноподобное колебание, частицы передают его своим соседям без затухания. Колебание бежит равномерной волной без потерь.

Не так в стекле. Его частицы не упорядочены в регулярную решетку, а имеют случайные положения без строгого порядка. Такие материалы называются беспорядочными или аморфными. Примерами беспорядочных материалов являются стекло, пластик, резина и керамика. Надвигающиеся колебательные волны не передаются в равномерном режиме. Вместо этого колебания приходят на случайные позиции частиц и переносятся дальше в соответствующем случайном порядке. В результате равномерная волна ломается и распадается на несколько меньших волн. Этот дисперсионный эффект вызывает затухание. Физик Лорд Рэлей использовал этот механизм рассеяния света неоднородностями в атмосфере, чтобы объяснить синий цвет неба, поэтому этот эффект называется затуханием Рэлея.

Возрождение отброшенной модели Около 20 лет назад физики Марк Мезард, Джорджио Паризи (Нобелевская премия по физике 2021 года), Энтони Зи и их коллеги описали эти аномалии в стекле с помощью модели колебаний в случайных положениях, известной как евклидов подход к случайным матрицам (ЕРМ). Эта модель предполагает, что звуковые волны в стекле можно рассматривать как колебания точек, распределенных по случайным координатам в пространстве. Однако их модель была отвергнута другими учеными, которые считали, что она не соответствует экспериментальным данным.

Фукс и Фогель решили пересмотреть эту модель и обнаружили, что она действительно работает — если учесть некоторые дополнительные факторы. Они показали, что ЕРМ-модель может правильно описать затухание звука в стекле при низких температурах, если учесть эффекты конечного размера системы и конечной плотности частиц. Эти эффекты приводят к тому, что звуковые волны не могут быть произвольно длинными или короткими, а должны удовлетворять определенным условиям. Таким образом, Фукс и Фогель доказали, что ЕРМ-модель является правильной теорией для описания звуковых свойств стекла при низких температурах.