Forscher des Instituts für Theoretische Physik (ITP) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) und der Shanghai Jiao Tong University (SJTU) haben herausgefunden, dass körnige Materie (wie Sand) und einige Modelle von Schwarzen Löchern ähnliche nichtlineare Effekte aufweisen. Die Brücke zwischen den beiden ist die holographische Dualität.
Die Studie wurde veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschritte am 1. Juni.
Die holografische Dualität ermöglicht es, ungelöste physikalische Probleme auf handhabbare höherdimensionale Gravitationsgegenstücke abzubilden und umgekehrt. Die Abbildung zwischen verschiedenen Dimensionen ähnelt der optischen holografischen Projektionstechnik, daher der Name.
Obwohl die holographische Dualität aus der Stringtheorie stammt und Teil der Suche nach einer konsistenten Theorie der Quantengravitation war, wurde sie auch in der Quantenchromodynamik, der Physik der kondensierten Materie und der Quanteninformation weit verbreitet.
In dieser Arbeit wird die Idee der holografischen Dualität auf eine konkrete Art von athermischen, ungeordneten Festkörpern – körnige Materialien – ausgedehnt. Da Körner dazu neigen, eine makroskopische Größe zu haben, können thermische Schwankungen und Quanteneffekte vernachlässigt werden.
Außerdem ist die traditionelle Elastizitätstheorie geordneter Kristalle aufgrund der ungeordneten Natur körniger Materialien nicht mehr anwendbar (dh es gibt keine periodische Gitterstruktur für die räumliche Verteilung von Körnern). Das Verständnis der physikalischen Eigenschaften von körniger Materie, wie beispielsweise der komplexen mechanischen Reaktionen, bleibt eine theoretische Herausforderung.
Körnige Materialien können bis zu einem gewissen Grad Verformungen widerstehen und behalten ihre strukturelle Integrität. Wenn die Verformung jedoch einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, bricht das Material, ein Phänomen, das als Nachgeben bekannt ist. In einigen Fällen kann die Scherung zur Verhärtung des körnigen Systems führen (dh zu einer Erhöhung des Schermoduls), was als nichtlineare Reaktion auf die äußere Verformung erscheint.
Diese Studie prognostiziert intrinsische Beziehungen zwischen der nichtlinearen Elastizität, dem Nachgeben und der Entropie von körniger Materie, basierend auf dem holographischen Dualitätsprinzip und effektiven Feldtheorietechniken. Computersimulationen granularer Modelle bestätigen die theoretischen Vorhersagen.
Diese Forschung erweitert nicht nur den Anwendungsbereich der holografischen Dualität, sondern zeigt auch die potenzielle Beziehung zwischen der Physik Schwarzer Löcher und amorphen Materialien auf und bietet einen neuen Weg für die Untersuchung und das Verständnis komplexer Systeme.
Deng Pan et al, Nichtlineare Elastizität, Fließen und Entropie in amorphen Festkörpern, Wissenschaftliche Fortschritte (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abm8028