Depuis environ 50 ans, les scientifiques se demandent comment le verre conduit les ondes sonores et les vibrations différemment des autres solides à basse température. Deux physiciens ont maintenant résolu ce casse-tête en révisant un ancien modèle abandonné qui explique avec précision le comportement particulier du verre.
Comment le verre atténue le son : des chercheurs de l’Université de Constance résolvent un mystère de physique en redécouvrant une théorie abandonnée.
Parfois, la connaissance est déjà là – elle a juste été négligée. Depuis une cinquantaine d’années, le comportement vibratoire unique du verre à basse température laisse perplexe les physiciens.
La raison : le verre transporte les ondes sonores et les vibrations différemment des autres solides – il « vibre différemment ». Mais pourquoi?
Et comment calculer correctement la propagation du son dans le verre ? Deux physiciens de Constance, Matthias Fuchs et Florian Vogel, ont maintenant trouvé la solution – en reprenant un vieux modèle, créé il y a une vingtaine d’années et rejeté par les experts de l’époque, et en le retravaillant. Leur nouveau point de vue sur l’ancienne théorie a maintenant été publié dans la revue Lettres d’examen physique.
Vibrations amorties
Si vous envoyez des ondes sonores à travers le verre et que vous les mesurez très précisément, vous remarquerez un certain amortissement des vibrations qui est absent dans d’autres solides. Elle a des conséquences considérables sur les propriétés thermiques du verre, telles que le transfert de chaleur et les capacités calorifiques. L’effet est bien connu en physique, mais jusqu’à présent, aucun modèle théorique ne pouvait le décrire correctement – et fournir le cadre de calculs plus complexes de la propagation du son dans le verre.
Les verres sont des solides désordonnés. Contrairement aux solides cristallins, les particules qui composent le verre ne sont pas régulièrement disposées. Dans la plupart des solides, les particules sont presque parfaitement « alignées », comme des blocs de construction disposés dans un réseau précis. Lorsqu’une vibration ondulatoire est excitée dans de tels solides cristallins à basse température, les particules transmettent la vibration à leurs voisines sans amortissement. La vibration fonctionne dans une onde uniforme sans perte, comparable à une onde la-ola dans un stade.
Ce n’est pas le cas dans le verre : ses particules ne sont pas disposées dans un réseau régulier mais ont des positions aléatoires sans ordre strict. Les ondes d’oscillation venant en sens inverse ne sont pas transmises selon un schéma uniforme. Au lieu de cela, les vibrations arrivent aux positions aléatoires des particules et sont reportées selon un schéma aléatoire correspondant.
Le résultat est que l’onde uniforme est brisée et se disperse en plusieurs vagues plus petites. Cet effet de dispersion provoque l’amortissement. Le physicien Lord Rayleigh a utilisé ce mécanisme de diffusion de la lumière par les irrégularités de l’atmosphère pour expliquer la couleur bleue du ciel, c’est pourquoi cet effet est appelé « amortissement de Rayleigh ».
Redécouverte d’un modèle mis au rebut
Il y a une vingtaine d’années, les physiciens Marc Mezard, Giorgio Parisi (prix Nobel de physique 2021), Anthony Zee et leurs collègues décrivaient ces anomalies dans le verre par un modèle d’oscillations dans des positions aléatoires connu sous le nom d’« approche euclidienne des matrices aléatoires » (ERM).
« Un modèle simple qui était fondamentalement la solution », explique Matthias Fuchs, professeur de théorie de la matière molle condensée à l’Université de Constance. Cependant, le modèle présentait encore quelques incohérences et a donc été écarté par les experts – et est tombé dans l’oubli.
Matthias Fuchs et son collègue Florian Vogel ont repris l’ancien modèle. Ils ont trouvé des solutions aux questions ouvertes auxquelles la communauté scientifique ne pouvait pas répondre à l’époque et ont examiné le modèle révisé en examinant ses diagrammes de Feynman. Ces graphiques utiles ont été introduits par Richard Feynman dans la théorie quantique des champs et ont révélé les régularités dans les modèles des ondes diffusées.
Les résultats de Matthias Fuchs et Florian Vogel ont fourni des calculs réalistes de la propagation du son et de l’effet d’amortissement dans le verre. « Mezard, Parisi et Zee avaient raison dans leur modèle perspicace – les oscillations harmoniques dans un arrangement désordonné expliquent les anomalies du verre à basse température », explique Fuchs.
Le modèle redécouvert, cependant, est loin d’être la fin de l’histoire : « Pour nous, c’est le point de départ : nous avons trouvé le bon modèle que nous pouvons maintenant utiliser pour d’autres calculs, en particulier des effets de la mécanique quantique », Matthias Fuchs dit. « Bonnes vibrations » pour la recherche.
La recherche a été financée par la Fondation allemande pour la recherche (DFG) dans le cadre du Centre de recherche collaborative SFB 1432 « Fluctuations et non-linéarités dans la matière classique et quantique au-delà de l’équilibre ».
