Den merkelige oppførselen til lyd gjennom faste stoffer

Ikke alt trenger å bli sett for å bli trodd; visse ting høres lettere, som et tog som nærmer seg stasjonen. I en fersk artikkel, publisert i Fysiske gjennomgangsbrevhar forskere lagt ørene til skinnen og oppdaget en ny egenskap for å spre amplituder basert på deres studie av lydbølger gjennom fast materiale.

Det være seg lys eller lyd, fysikere vurderer sannsynligheten for partikkelinteraksjoner (ja, lyd kan oppføre seg som en partikkel) i form av sannsynlighetskurver eller spredningsamplituder. Det er vanlig kunnskap at når bevegelsesmengden eller energien til en av de spredte partiklene går til null, bør spredningsamplituder alltid skaleres med heltallspotenser (dvs. p¹s²s³, etc.). Det forskerteamet imidlertid fant var at amplitude kan være proporsjonal med en brøkpotens (dvs. s^1/2s^1/3s^1/4etc.).

Hvorfor betyr dette noe? Mens kvantefeltteorier, som standardmodellen, lar forskere komme med spådommer om partikkelinteraksjoner med ekstrem nøyaktighet, er det fortsatt mulig å forbedre dagens grunnlag for grunnleggende fysikk. Når en ny atferd blir demonstrert – for eksempel brøkkraftskalering – gis forskere en mulighet til å revidere eller revidere eksisterende teorier.

Dette arbeidet, utført av Angelo Esposito (Institute for Advanced Study), Tomáš Brauner (Universitetet i Stavanger) og Riccardo Penco (Carnegie Mellon University), tar spesifikt hensyn til interaksjonene mellom lydbølger i faste stoffer. For å visualisere dette konseptet, se for deg en treblokk med høyttalere plassert i begge ender. Når høyttalerne er slått på, møter to lydbølger – fononer – hverandre og sprer seg, på samme måte som kollisjoner i en partikkelakselerator. Når en høyttaler er justert til en viss grense, slik at fononens momentum er null, kan den resulterende amplituden være proporsjonal med en brøkeffekt. Denne skaleringsadferden, forklarer teamet, er sannsynligvis ikke begrenset til fononer i faste stoffer, og dens gjenkjennelse kan hjelpe studiet av spredningsamplituder i mange forskjellige sammenhenger, fra partikkelfysikk til kosmologi.

“De detaljerte egenskapene til spredningsamplituder har nylig blitt studert med mye kraft,” sa Esposito. “Målet med dette brede programmet er å klassifisere mulige oppførselsmønstre for spredningsamplituder, for både å gjøre noen av våre beregninger mer effektive og mer ambisiøst for å bygge nye grunnlag for kvantefeltteori.”

Feynman-diagrammer har lenge vært et uunnværlig verktøy for partikkelfysikere, men de har visse begrensninger. For eksempel kan beregninger med høy nøyaktighet kreve at titusenvis av Feynman-diagrammer legges inn i en datamaskin for å beskrive partikkelinteraksjoner. Ved å få en bedre forståelse av spredningsamplituder, kan forskere lettere finne partikkeladferd i stedet for å stole på ovenfra-og-ned-tilnærmingen til Feynman-diagrammer, og dermed forbedre effektiviteten til beregninger.

“Det nåværende arbeidet avslører en vri i historien, og viser at fysikk av kondensert materie viser mye rikere fenomenologi med spredningsamplituder enn det som tidligere ble sett i fundamental, relativistisk fysikk,” la Esposito til. “Oppdagelsen av brøkkraftskalering inviterer til videre arbeid med å spre amplituder av kollektive oscillasjoner av materie, og plassere faste stoffer i fokus.”

---

---