簡要描述一下新發(fā)現(xiàn)。機械振動的振子在無外力的影響下，振幅變大了。原因是機械振動導(dǎo)致——相當(dāng)于彈簧反復(fù)壓縮，做功產(chǎn)生熱量——系統(tǒng)溫度升高。系統(tǒng)增加的熱量轉(zhuǎn)化成動能，使振子振幅增大！乍一聽，機械能轉(zhuǎn)化為熱能，熱能又轉(zhuǎn)為機械能，同時提高了振幅……振子的能量越來越大？其實不然，后面有解釋。同時，這是在特殊的晶體材質(zhì)下才會發(fā)生的現(xiàn)象。

圣彼得堡工業(yè)大學(xué)(SPbPU)的研究人員發(fā)現(xiàn)并從理論上解釋了一種新的物理現(xiàn)象：機械振動的振幅可以在沒有外部影響的情況下自發(fā)變大。

通常認(rèn)為，沒有恒定的外部影響就不可能實現(xiàn)振蕩共振。但是，應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)研究所理論力學(xué)高等科學(xué)小組發(fā)現(xiàn)了一種新的物理現(xiàn)象——“彈道共振”，其中僅由系統(tǒng)內(nèi)部的熱能就可激發(fā)機械振蕩。

世界各地的實驗工作表明，超純晶體材料中的熱量以納米和微米級的速度傳播。這種現(xiàn)象被稱為彈道熱導(dǎo)率。

安東·克里夫佐夫(Anton Krivtsov)負(fù)責(zé)的科學(xué)小組推導(dǎo)出了描述這一現(xiàn)象的方程式，并在微觀層面對熱過程的整體認(rèn)知上取得了重大進展。在《物理評論 E》 上發(fā)表的論文里，研究人員考慮了晶體材料中溫度初始周期性分布時的系統(tǒng)行為。

據(jù)他介紹，未來研究人員計劃分析如何將新效應(yīng)應(yīng)用在諸如石墨烯等有前途的材料上。

這些發(fā)現(xiàn)也提供了解決Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou 悖論的機會。1953年，由恩里科·費米(Enrico Fermi)領(lǐng)導(dǎo)的團隊進行了一次后來聞名遐邇的計算機模擬實驗?？茖W(xué)家們分析由彈簧連接的一連串粒子振動的最簡單模型。他們認(rèn)為機械運動會逐漸消失，變成混亂的熱振蕩。但結(jié)果出人意料：鏈中的振蕩首先近乎衰減至0，但隨后又恢復(fù)并達到了接近初始水平。系統(tǒng)進入其初始狀態(tài)，并且循環(huán)不斷。數(shù)十年來，由熱振動引起的機械振蕩的原因一直是科學(xué)研究和爭論的主題。

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。之后，它開始逐漸減小到零。最終，機械振蕩完全消失，并且溫度在整個晶體中達到平衡。該過程被稱為熱化。對于物理學(xué)家來說，該實驗至關(guān)重要，因為通過彈簧連接的一連串粒子是晶體材料的良好模型。

理論力學(xué)高等學(xué)院的研究人員表明，如果我們在有限的溫度下考慮該過程，則機械能向熱的轉(zhuǎn)化是不可逆的。

根據(jù)專家的說法，SPbPU科學(xué)家提出的理論方法為我們理解熱量和溫度提供了一種新角度。這可能是未來納米電子器件發(fā)展的基礎(chǔ)。

更多信息： Vitaly A. Kuzkin等人，F(xiàn)ermi-Pasta-Ulam-Tsingou ，《物理評論E》(2020年)。 DOI：10.1103/PhysRevE.101.042209