_ Vibrațiile materialelor granulare: fizicienii teoreticieni nu lumina asupra unui mister științific de zi cu zi

Boabele de cafea într-un borcan și grămezile de orez sau nisip sunt exemple de materie granulară: materiale compuse dintr-un număr mare de particule macroscopice, mai degrabă decât la scară atomică. Deși materia granulară este extrem de familiară în viața de zi cu zi, ea reprezintă o frontieră neașteptată în fizica fundamentală: se înțelege foarte puțin despre ea.

Într-un nou studiu publicat recent în European Physical Journal E, Onuttom Narayan și Harsh Mathur, fizicieni teoreticieni de la Universitatea din California din Santa Cruz și, respectiv, de la Case Western Reserve University, aruncă lumină asupra propagării sunetului prin materiale granulare deosebit de apropiate de ceea ce se numește „tranziția bruiajului”.

Înțelegere. proprietățile materiei granulare sunt importante pentru multe aplicații industriale practice. În mod remarcabil, problema vibrațiilor acustice în materia granulară a fost recent un subiect de discuție în cultura pop: filmul recent lansat „Dune” a generat o dezbatere despre dacă sunetul se poate propaga prin nisip (se poate).

Ciutatea materiei granulare poate fi observată prin contemplarea unui morman de orez. Dacă împingi ușor o grămadă de orez, acesta pare să fie solid. Dar dacă ridici niște orez și îl lași să scape prin mână, se toarnă ca un lichid. Astfel, o grămadă de orez nu este nici solidă, nici lichidă. Este un material granular care trebuie înțeles în termenii proprii.

Pentru a înțelege tranziția blocării, imaginați-vă că turnați boabele de cafea printr-o pâlnie cu o duză îngustă. Dacă boabele se toarnă încet, vor curge prin duză, dar dacă se toarnă rapid o mulțime de fasole în pâlnie, fluxul se va bloca. Tranziția de blocare are loc pe măsură ce debitul crește: materialul trece brusc de la o stare de curgere la una blocată.

În laborator, cercetătorii studiază de obicei pachete de margele de polistiren care sunt mai susceptibile de experimentare decât cafeaua. fasole. Se constată că astfel de pachete de margele suferă vibrații acustice la un set de frecvențe caracteristice. Acest set de frecvențe caracteristice se numește spectrul pachetului de mărgele. Spectrul variază de la un pachet de mărgele la un pachet de mărgele, așa că problema este de a dezvolta o înțelegere statistică a tipurilor de spectre care ar putea apărea.

Construindu-se pe lucrările anterioare importante ale multor cercetători, în special Yaroslav Beltukov (Institutul Ioffe). în Rusia) și Giorgio Parisi (Universitatea Sapienza din Roma), Narayan și Mathur arată că există anumite caracteristici statistice ale spectrelor care sunt universale, în timp ce alte caracteristici sunt neuniversale. În acest context, universal se referă la caracteristicile care ar fi împărtășite de frecvențele vibraționale ale oricărui sistem suficient de complex; neuniversal pentru caracteristicile specifice materiei granulare blocate.

Narayan și Mathur arată că caracteristicile universale ale spectrelor sunt descrise de teoria matricei aleatoare, o ramură a matematicii dezvoltată de fizicienii nucleari în anii 1950. Posibilitatea ca teoria matricei aleatoare să fie aplicabilă vibrațiilor materiei granulare are precursori importanți. Dar în noua lucrare, este demonstrat în mod convingător pentru prima dată că spectrele sunt descrise printr-o aromă specială a teoriei matricei aleatoare numită ansamblul Laguerre.

Narayan și Mathur au dezvoltat, de asemenea, un model al vibrațiilor. de materie granulară blocată care este capabilă să explice unele dintre trăsăturile neuniversale ale spectrelor. Acest model seamănă îndeaproape cu un model dezvoltat de Narayan cu mulți ani în urmă, care a fost destinat să rezolve un alt puzzle important despre materia granulară: modul în care stresul este distribuit în pachetele de margele care sunt comprimate.

Găsirea unei descrieri unificate a diferitelor fenomene este un obiectiv major al fizicii fundamentale. Un obiectiv important pentru lucrările viitoare este de a îmbina cele două modele înrudite într-o descriere unificată atât a distribuțiilor tensiunilor, cât și a spectrelor vibraționale.

Materia granulară este un memento, au spus Mathur și Narayan, că nu trebuie doar să priviți lumea subatomică sau universul la scară cosmologică pentru a găsi probleme fundamentale importante nerezolvate. Probleme la fel de provocatoare și semnificative pot fi găsite în lumea de zi cu zi din jurul nostru.

(Fluierul)