Когда материалы находятся в твердом состоянии, их атомы расположены в очень однородных структурах, таких как сетки, листы и решетки. Это означает, что, зная положение одного атома, мы можем вывести положения всех его соседних атомов. Однако в жидкостях и газах расположение атомов сильно отличается, поскольку они подвержены беспорядочному движению.
В результате этого движения атомы могут быть «локально» плотно упакованы на мгновение, что приводит к большей мгновенной плотности, а затем разделиться. Это происходит только в микроскопических масштабах; в более крупных масштабах мы не можем различить это поведение.
Для объяснения этих систем была успешно использована теория капиллярных волн, которая согласуется с аналогией «барабанной кожи».
Однако в меньших масштабах эта теория не работает. На протяжении десятилетий все попытки «адаптировать» его с помощью небольших модификаций были безуспешными, и нам не удавалось воспроизвести экспериментальные результаты и компьютерное моделирование. Однако авторы этого исследования обнаружили, что более микроскопическое (и, следовательно, более фундаментальное) описание может аккуратно объяснить эти неуловимые результаты.
По словам авторов исследования, ключ кроется в том, что функции, описывающие расположение атомов, проявляют определенные математические свойства, называемые «резонансами», которые до сих пор оставались незамеченными.
Принимая во внимание эти резонансы, математическая согласованность самой проблемы означает, что решение должно принимать очень конкретную форму. «Это совершенно новый способ рассмотрения границы раздела жидкость-газ, который может быть применен к другим системам; например, путем соприкосновения двух разных жидкостей, которые не смешиваются», – объясняет один из авторов исследования, профессор Эндрю Парри. от математического факультета Имперского колледжа Лондона.
"Самым удивительным для нас была простота и четкость математики этой теории, а также тот факт, что теоретические модели, которые мы все использовали на протяжении десятилетий, неожиданно оказались частными случаями, не имеющими никакого значения. Кто бы мог это заподозрить?"- говорит Карлос Раскон, соавтор исследования и преподаватель кафедры математики UC3M.
Исследование не только привело к последовательному описанию флуктуаций жидкость-газ, но также косвенным образом позволило открыть семейство теоретических моделей, которые могут быть решены аналитически, без необходимости использования компьютерных численных расчетов. расчеты.
Модели с аналитическими решениями всегда приветствуются в физике, потому что они позволяют очень полезно сравнивать более сложные модели. "По правде говоря, эти новые аналитические модели потребуют от нас больше работы. «Возможно, было бы лучше не открывать их», – шутит Карлос Раскон.