Forscher des Institute of Theoretical Physics (ITP) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und der Shanghai Jiao Tong University haben festgestellt, dass körnige Materie (beispielsweise Sand) und manche Modelle über Schwarze Löcher ähnliche nichtlineare Effekte zeigen. Die Brücke zwischen den beiden ist die holografische Dualität. Die Studie wurde am 1. Juni 2022 im Journal Science Advances veröffentlicht.
Die holografische Dualität erlaubt die Abbildung ungelöster physikalischer Probleme auf nachvollziehbare höherdimensionale gravitative Gegenstücke und umgekehrt. Die Abbildung zwischen verschiedenen Dimensionen erinnert an die optische holografische Projektionstechnik, daher der Name.
Obwohl die holografische Dualität aus der Stringtheorie hervorging und Teil der Suche nach einer konsistenten Theorie der Quantengravitation war, wurde sie auch weithin auf die Quantenchromodynamik, sowie auf die Physik der kondensierten Materie und Quanteninformation angewandt.
In dieser Studie wird das Konzept der holografischen Dualität auf einen konkreten Typ von athermalen, ungeordneten Festkörpern ausgeweitet: granulare Materialien. Weil Körnchen eine makroskopische Größe besitzen, können thermale Fluktuationen und Quanteneffekte ignoriert werden.
Außerdem ist die traditionelle Elastizitätstheorie geordneter Kristalle aufgrund der ungeordneten Natur des granularen Materials nicht länger anwendbar, das heißt, es gibt keine regelmäßige Gitterstruktur für die räumliche Verteilung der Körnchen. Die physikalischen Eigenschaften granularer Materie zu verstehen, beispielsweise die komplexen mechanischen Reaktionen, bleibt eine Herausforderung für die Theorie.
Granulare Materialien können bis zu einem gewissen Grad Deformierungen widerstehen und ihre strukturelle Integrität aufrechterhalten. Trotzdem bricht das Material, wenn die Deformierung eine bestimmte Grenze überschreitet – ein Phänomen, das als Nachgeben bezeichnet wird. In manchen Fällen können Scherkräfte zu einer Verhärtung des granularen Systems führen (etwa ein Anstieg des Schermoduls), was als eine nichtlineare Reaktion auf die externe Deformierung erscheint.
Diese Studie sagt innere Zusammenhänge zwischen der nichtlinearen Elastizität, dem Nachgeben und der Entropie von granularer Materie voraus, basierend auf dem Prinzip der holografischen Dualität und effektiven Feldtheorien. Computersimulationen granularer Modelle verifizieren die theoretischen Voraussagen.
Diese Forschungsarbeit erweitert nicht nur den Anwendungsbereich für die holografische Dualität, sondern offenbart auch die potenzielle Beziehung zwischen der Physik Schwarzer Löcher und amorphen Materialien. Das ebnet einen neuen Weg für die Untersuchung und das Verständnis komplexer Systeme.
(THK)
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