科學家：發現並從理論上解釋了一種新的物理效應

俄羅斯聖彼得堡工業大學的科學家們發現並從理論上解釋了一種新的物理效應：機械振動的幅度可以在沒有外部影響的情況下增長。

我們許多人都有這樣的體會：要使一個搖擺機械，比如鞦韆，來回擺動，你必須不斷地推動它才能保持擺動。沒有恆定的外部影響，就不可能實現這樣的鞦韆振盪共振。

但是，俄羅斯聖彼得堡工業大學應用數學和力學研究所的科學小組發現並從理論上解釋了一種新的稱為“彈道共振”（ballistic resonance）的物理現象，其中僅由於系統內部的熱資源能激發機械振盪。

過去許多實驗工作表明，超純晶體材料中的熱量在奈米和微米級尺度上以異常高的速度傳播，這種現象稱為彈道熱導率。

由俄羅斯科學院院士、安東·克里夫佐夫（Anton Krivtsov）主導的研究小組推匯出了描述這一現象的方程式，並在微觀層面對熱過程的整體理解上取得了重大進展。在《物理評論》 E上發表的研究中，研究人員描述了晶體材料中溫度初始週期性分佈時的系統行為，描述了熱量平衡的過程導致機械振動，其振幅隨時間增長。這種作用稱為彈道共振。

研究人員說，“在過去的幾年中，我們的科研團隊一直在研究微米和奈米級的熱傳播機制。我們發現，在這些級別上，熱量的散佈並沒有我們期望的、例如熱會從冷到熱那樣，奈米系統的這種行為會導致新的例如彈道共振的物理效應。”

這些發現也提供瞭解決一個稱為“費米-帕斯塔-烏蘭-辛格悖論”的機會。 1953年，恩里科·費米（Enrico Fermi），約翰·帕斯塔（John Pasta），斯坦尼斯瓦夫·烏蘭（Stanislaw Ulam）和瑪麗·辛格（Mary Tsingou）進行了振動弦的計算機模擬數值實驗，後來以此悖論聞名於世。

費米所領導的一個研究小組考慮了由彈簧連線的一連串粒子振動的最簡單模型。他們認為機械運動會逐漸消失，變成混亂的熱振盪。但結果出乎意料：鏈中的振盪首先幾乎衰減，但隨後又恢復並達到了接近初始水平。系統進入其初始狀態，並且迴圈不斷重複。費米於1954年去世，因此該技術報告在費米去世後發表。數十年來，在所考慮的系統中，由熱振動引起的機械振盪的原因一直是科學研究和爭論的主題。

該研究團隊所發現並從理論上解釋的這種新的彈道共振的物理效應，就如何消除“費米-帕斯塔-烏蘭-辛格悖論”提供瞭解釋。彈道共振引起的機械振動幅度不會無限增大，而是會達到最大值。之後，它開始逐漸減小到零。最終，機械振盪完全消失，並且溫度在整個晶體中達到平衡。該過程稱為熱化。對於物理學家來說，“費米-帕斯塔-烏蘭-辛格悖論”的實驗至關重要，因為透過彈簧連線的一連串粒子是晶體材料的良好模型。

研究人員表明，如果我們考慮在有限溫度下進行的過程，則機械能向熱的轉化是不可逆的。俄羅斯科學院理論力學高階學院主任、安東·克里夫佐夫（Anton Krivtsov）解釋說，“通常情況下，沒有考慮到在真實材料中會同時發生熱運動和機械運動，並且熱運動的能量要高出幾個數量級。我們在計算機實驗中重新建立了這些條件，結果表明正是熱運動抑制了機械波並阻止了振動的恢復。”

研究人員將計劃分析如何將其用於諸如石墨烯等有前途的材料中。據稱，該研究所提出的理論方法展示了一種瞭解熱和溫度的新方法，可能是未來奈米電子器件發展的基礎。

參考：Ballistic resonance and thermalization in the Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou chain at finite temperature， Physical Review E （2020）。 DOI： 10。1103/PhysRevE。101。042209