Physiker entdecken eine verworfene Theorie wieder, um das Rätsel zu lösen, wie Glas Geräusche dämpft

Seit etwa einem halben Jahrhundert rätseln Physiker über die Schwingungen von Glas bei niedrigen Temperaturen. Der Grund: Glas leitet Schallwellen und Vibrationen anders als andere Feststoffe – es „schwingt anders“. Aber warum? Und wie lässt sich die Schallausbreitung in Glas richtig berechnen?

Zwei Physiker der Universität Konstanz, Matthias Fuchs und Florian Vogel, haben nun die Lösung gefunden: Sie haben ein altes Modell, das vor rund 20 Jahren entstand und damals von der Fachwelt abgelehnt wurde, aufgegriffen und überarbeitet. Ihre neue Sicht auf die alte Theorie wurde nun in der Zeitschrift veröffentlicht Briefe zur körperlichen Untersuchung.

Gedämpfte Vibrationen

Schickt man Schallwellen durch Glas und misst diese sehr genau, stellt man eine gewisse Dämpfung der Schwingungen fest, die bei anderen Festkörpern fehlt. Dies hat weitreichende Konsequenzen für die thermischen Eigenschaften von Glas, wie etwa die Wärmeübertragung und die Wärmekapazitäten. Der Effekt ist in der Physik gut bekannt, aber bisher gab es kein theoretisches Modell, das ihn korrekt beschreiben konnte – und den Rahmen für komplexere Berechnungen der Schallausbreitung in Glas bildete.

Gläser sind ungeordnete Feststoffe. Im Gegensatz zu kristallinen Feststoffen sind die Partikel, aus denen Glas besteht, nicht regelmäßig angeordnet. In den meisten Festkörpern sitzen die Partikel nahezu perfekt „aufgereiht“, wie Bausteine, die in einem präzisen Gitter angeordnet sind. Wenn in solchen kristallinen Festkörpern bei niedrigen Temperaturen eine wellenförmige Schwingung angeregt wird, geben die Teilchen die Schwingung ungedämpft an ihre Nachbarn weiter. Die Schwingung verläuft verlustfrei in einer gleichmäßigen Welle, vergleichbar mit einer La-Ola-Welle im Stadion.

Nicht so in Glas. Seine Teilchen sind nicht in einem regelmäßigen Gitter angeordnet, sondern haben zufällige Positionen ohne strenge Ordnung. Ankommende Schwingungswellen werden nicht in einem gleichmäßigen Muster weitergetragen. Stattdessen treffen die Schwingungen an den zufälligen Positionen der Teilchen ein und werden in einem entsprechend zufälligen Muster weitergetragen.

Das Ergebnis ist, dass die gleichförmige Welle gebrochen wird und sich in mehrere kleinere Wellen auflöst. Dieser Dispersionseffekt bewirkt die Dämpfung. Der Physiker Lord Rayleigh nutzte diesen Mechanismus der Lichtstreuung durch Unregelmäßigkeiten in der Atmosphäre, um die blaue Farbe des Himmels zu erklären, weshalb dieser Effekt „Rayleigh-Dämpfung“ genannt wird.

Wiederentdeckung eines ausrangierten Modells

Vor etwa 20 Jahren beschrieben die Physiker Marc Mezard, Giorgio Parisi (Nobelpreis für Physik 2021), Anthony Zee und Kollegen diese Anomalien in Glas mit einem Modell von Schwingungen an zufälligen Positionen, das als „Euclidean Random Matrix Approach“ (ERM) bekannt ist. „Ein einfaches Modell, das im Grunde die Lösung war“, sagt Matthias Fuchs, Professor für Theorie der weichen kondensierten Materie an der Universität Konstanz. Allerdings wies das Modell noch einige Inkonsistenzen auf und wurde daher von Experten verworfen – und geriet in Vergessenheit.

Matthias Fuchs und sein Kollege Florian Vogel griffen das alte Modell wieder auf. Sie fanden Lösungen für die offenen Fragen, die die wissenschaftliche Gemeinschaft damals nicht beantworten konnte, und untersuchten das überarbeitete Modell anhand seiner Feynman-Diagramme. Diese nützlichen Graphen wurden von Richard Feynman in die Quantenfeldtheorie eingeführt und enthüllten die Regelmäßigkeiten in den Mustern der gestreuten Wellen.

Die Ergebnisse von Matthias Fuchs und Florian Vogel lieferten realitätsgetreue Berechnungen der Schallausbreitung und der Dämpfungswirkung in Glas. „Mezard, Parisi und Zee hatten mit ihrem aufschlussreichen Modell Recht – harmonische Schwingungen in einer ungeordneten Anordnung erklären die Anomalien von Glas bei niedrigen Temperaturen“, erklärt Fuchs.

Das wiederentdeckte Modell ist jedoch noch lange nicht das Ende der Geschichte. „Für uns ist es der Ausgangspunkt: Wir haben das richtige Modell gefunden, das wir nun für weitere Berechnungen insbesondere quantenmechanischer Effekte nutzen können“, sagt Matthias Fuchs. „Gute Schwingungen“ für die Forschung.