Автор: Лиза Зыга, Phys.org
Даже если вы не знаете его по имени, все знакомы с третьим законом Ньютона, который гласит, что для каждого действия существует равная и противоположная реакция. Эту идею можно увидеть во многих повседневных ситуациях, например, при ходьбе, когда нога человека упирается в землю, а земля отталкивается назад с равной и противоположной силой. Третий закон Ньютона также необходим для понимания и разработки автомобилей, самолетов, ракет, лодок и многих других технологий.
Несмотря на то, что это один из фундаментальных законов физики, Третий закон Ньютона может быть нарушен в некоторых неравновесных (несбалансированных) ситуациях. Когда два объекта или частицы нарушают Третий закон, говорят, что они имеют невзаимные взаимодействия. Нарушения могут возникать, когда среда каким-то образом вовлекается во взаимодействие между двумя частицами, например, когда среда движется относительно этих двух частиц. (Конечно, закон Ньютона все еще справедлив для полной системы «частицы плюс окружающая среда».)
Хотя были проведены многочисленные эксперименты с частицами с невзаимными взаимодействиями, не так много известно о том, что происходит на микроскопическом уровне—статистической механике—этих систем.
В новой статье, опубликованной в Physical Review X, Алексей Ивлев и другие исследовали статистическую механику различных типов невзаимных взаимодействий и обнаружили некоторые удивительные результаты—например, что экстремальные температурные градиенты могут генерироваться в масштабе частиц.
«Я думаю, что самое большое значение нашей работы заключается в том, что мы строго показали, что некоторые классы существенно неравновесных систем могут быть точно описаны в терминах статистической механики равновесия (то есть можно получить псевдогамильтониан, который описывает такие системы)»,-сказал Ивлев из Института внеземной физики Макса Планка в Гархинге, Германия. Phys.org. «Одно из самых удивительных следствий состоит в том, что, например, можно наблюдать смесь двух жидкостей в детальном равновесии, но каждая жидкость имеет свою собственную температуру».
Один из примеров системы с невзаимными взаимодействиями, который исследователи экспериментально продемонстрировали в своем исследовании, включает заряженные микрочастицы, левитирующие над электродом в плазменной камере. Нарушение третьего закона Ньютона происходит из — за того, что в системе участвуют два типа микрочастиц, которые левитируют на разной высоте из-за их различных размеров и плотностей. Электрическое поле в камере приводит в движение вертикальный поток плазмы, как течение в реке, и каждая заряженная микрочастица фокусирует ионы плазмы вниз по течению, создавая за собой вертикальный плазменный след.
Хотя силы отталкивания, возникающие из-за прямых взаимодействий между двумя слоями частиц, взаимны, силы притяжения частиц между двумя слоями-нет. Это происходит потому, что силы следа уменьшаются с расстоянием от электрода, и слои левитируют на разных высотах. В результате нижний слой оказывает большую суммарную силу на верхний слой частиц, чем верхний слой на нижний слой частиц. Следовательно, верхний слой имеет более высокую среднюю кинетическую энергию (и, следовательно, более высокую температуру), чем нижний слой. Настраивая электрическое поле, исследователи могли бы также увеличить разницу высот между двумя слоями, что еще больше увеличивает разницу температур.
«Обычно я довольно консервативен, когда думаю о том, какое» непосредственное » потенциальное применение может иметь то или иное открытие (по крайней мере, в физике)», — сказал Ивлев. «Однако я совершенно уверен в том, что наши результаты являются важным шагом на пути к лучшему пониманию некоторых видов неравновесных систем. Существует множество примеров очень разных неравновесных систем, где симметрия действия-реакции нарушается для межчастичных взаимодействий, но мы показываем, что тем не менее можно найти лежащую в основе симметрию, которая позволяет нам описывать такие системы в терминах учебника (равновесной) статистической механики».
В то время как эксперимент с плазмой является примером нарушения симметрии действия-реакции в двумерной системе, такое же нарушение симметрии может произойти и в трехмерных системах. Ученые ожидают, что оба типа систем демонстрируют необычное и замечательное поведение, и они надеются продолжить дальнейшее исследование этих систем в будущем.
«Наши текущие исследования сосредоточены на нескольких темах в этом направлении», — сказал Ивлев. «Одним из них является эффект нарушения симметрии действия-реакции в перегруженных коллоидных суспензиях, где невзаимные взаимодействия приводят к удивительно богатому разнообразию явлений самоорганизации (динамическая кластеризация, образование паттернов, разделение фаз и т. д.). Результаты этого исследования могут привести к нескольким интересным приложениям. Другая тема является чисто фундаментальной: как можно описать гораздо более широкий класс «почти гамильтоновых» невзаимных систем, взаимодействия которых почти совпадают с теми, которые описываются псевдогамильтонианом? Надеюсь, мы сможем доложить об этих результатах очень скоро».
https://phys.org/news/2015-05-newton-law-broken.html
Загрузка...
