Paradoxul Fermi–Pasta–Ulam–Tsingou din teoria haosului, rezolvat de fizicieni

În fizică, problema Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou (FPUT) este paradoxul aparent din teoria haosului conform căruia multe sisteme fizice destul de complicate prezintă un comportament aproape exact periodic – numit recurența Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou ( sau recidiva Fermi – Pasta – Ulam) – în loc de un comportament ergodic.

(O fotografie a unui desen din opera originală a lui Fermi și colaboratorii. Această lucrare a fost printre primele utilizări ale metodei de dinamică moleculară pentru înțelegerea proprietăților statistice ale materiei și a contribuit foarte mult la domeniul haosului.)

În vara anului 1953, Enrico Fermi, John Pasta, Stanislaw Ulam și Mary Tsingou au efectuat experimente numerice (adică simulări pe computer) ale unei corzi vibrante, care includeau un termen neliniar (cvadratic într-un test, cubic într-un altul, și liniar în al treilea). Au descoperit că comportamentul sistemului era cu totul diferit de ceea ce intuiția i-ar fi determinat să se aștepte. Fermi s-a gândit că, după multe iterații, sistemul va expune termalizare, un comportament ergodic în care influența modurilor inițiale de vibrație se estompează și sistemul devine mai mult sau mai puțin aleatoriu, cu toate modurile excitate mai mult sau mai puțin în egală măsură. În schimb, sistemul a prezentat un comportament cvasi-periodic foarte complicat. Și-au publicat rezultatele într-un raport tehnic la Los Alamos în 1955.

Experimentul FPUT a fost important atât pentru că a arătat complexitatea comportamentului sistemului neliniar, cât și valoarea simulării computerului în sistemele de analiză.

Cercetătorii de la Universitatea Politehnică „Peter the Great St.Petersburg” (SPbPU) au descoperit și au explicat teoretic un nou efect fizic legat de paradoxul FPUT: amplitudinea vibrațiilor mecanice poate crește fără influență externă. Grupul științific a oferit explicații despre cum se poate elimina paradoxul Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou.

Ei au folosit un exemplu simplu: pentru a balansa un leagăn, trebuie să îl împingeți în continuare. În general, se crede că este imposibil de obținut rezonanță oscilatoare fără o influență externă constantă.

Cu toate acestea, grupul științific al SPbPU a descoperit un nou fenomen fizic de „rezonanță balistică”, unde oscilațiile mecanice pot fi excitate doar datorită resurselor termice interne ale sistemului.

Ei au demonstrat că, căldura se răspândește la viteze anormal de mari la niveluri nano și micro în materialele cristaline ultrapure. Acest fenomen se numește conductivitate termică balistică.

Grupul științific a derivat ecuațiile care descriu acest fenomen și a făcut progrese semnificative în înțelegerea generală a proceselor termice la nivel micro. În studiul publicat în Physical Review E, cercetătorii au considerat comportamentul sistemului la distribuția periodică inițială a temperaturii în materialul de cristal.

„În ultimii ani, grupul nostru științific a analizat mecanismele de propagare a căldurii la nivelurile micro și nano. Am aflat că la aceste niveluri, căldura nu se răspândește în modul în care ne așteptăm: de exemplu, căldura poate curge de la rece la cald. Acest comportament al nanosistemelor duce la noi efecte fizice, cum ar fi rezonanța balistică „, a declarat profesorul asociat al SPbPU, Vitaly Kuzkin.

În viitor cercetătorii intenționează să analizeze modul în care acest lucru poate fi utilizat în materiale promițătoare, precum grafenul.

Potrivit experților, abordarea teoretică propusă de oamenii de știință SPbPU demonstrează o nouă abordare a modului în care înțelegem căldura și temperatura. Poate fi fundamental în dezvoltarea dispozitivelor nanoelectronice în viitor.