דוגמאות לחומר גרגירי: כדורי פלסטיק צבעוניים במגרש משחקים, חצץ, שומשום ועדשים (בכיוון השעון משמאל למעלה). קרדיט: תמונות מאת Julia Kertesz, Martin Olsson, Jitender Kumar ו-Zyance בהתאמה (מקור: ויקיפדיה).
פולי קפה בצנצנת וערימות של אורז או חול הם דוגמאות לחומר גרגירי: חומרים המורכבים ממספר גדול של חלקיקים מאקרוסקופיים – ולא בקנה מידה אטומי -. למרות שחומר גרגירי מוכר מאוד בחיי היומיום, הוא מייצג גבול בלתי צפוי בפיזיקה היסודית: מעט מאוד מובן לגביו.
במחקר חדש שפורסם לאחרונה ב- European Physical Journal EOnuttom Narayan והארש מאתור, פיזיקאים תיאורטיים מאוניברסיטת קליפורניה בסנטה קרוז ואוניברסיטת קייס ווסטרן רזרב, בהתאמה, שופכים מעט אור על התפשטות הקול דרך חומרים גרגירים הקרובים במיוחד למה שנקרא "מעבר השיבוש".
משמעות מעשית ורלוונטיות תרבותית
הבנת המאפיינים של חומר גרגירי חשובה ליישומים תעשייתיים מעשיים רבים. למרבה הפלא, בעיית התנודות האקוסטיות בחומר גרגירי הייתה לאחרונה נושא לדיון בתרבות הפופ: הסרט החדש שיצא לאקרנים חוֹלִית עורר ויכוח אם צליל יכול להתפשט דרך חול. (התשובה: זה יכול).
ניתן לראות את המוזרות של חומר גרגירי על ידי התבוננות בערימת אורז. אם אתה דוחף בעדינות ערימת אורז, נראה שהיא מוצקה. אבל אם אתה מרים קצת אורז ונותן לו לחמוק דרך היד שלך, הוא נשפך כמו נוזל. לפיכך, ערימת אורז אינה מוצקה ואינה נוזלית. זהו חומר גרגירי שיש להבין בתנאים שלו.
הבנת מעבר שיבוש
כדי להבין את מעבר החסימה, דמיינו את מזיגת פולי הקפה דרך משפך עם זרבובית צרה. אם יוצקים את השעועית לאט, היא תזרום דרך הזרבובית, אבל אם יוצקים הרבה שעועית לתוך המשפך במהירות, הזרימה תתקע. מעבר החסימה מתרחש כאשר קצב הזרימה גדל: החומר עובר בפתאומיות ממצב זורם למצב תקוע.
במעבדה, חוקרים בדרך כלל חוקרים חבילות של פוליסטירן חרוזים שמתאימים יותר לניסויים מאשר פולי קפה. נמצא כי חבילות חרוזים כאלה עוברות רעידות אקוסטיות בקבוצה של תדרים אופייניים. קבוצה זו של תדרים אופייניים נקראת הספקטרום של חבילת החרוזים. הספקטרום משתנה מחרוזת חרוזים לחרוזים, ולכן הבעיה היא לפתח הבנה סטטיסטית של סוגי הספקטרום שעלולים להופיע.
התפתחויות תיאורטיות
בהתבסס על עבודה קודמת חשובה של חוקרים רבים, במיוחד ירוסלב בלטוקוב (מכון איופה ברוסיה) וג'ורג'יו פריזי (אוניברסיטת סאפיינזה ברומא), נראיאן ומתור מראים שיש מאפיינים סטטיסטיים מסוימים של הספקטרום שהם אוניברסליים, בעוד שתכונות אחרות אינן אוניברסלי. בהקשר זה, אוניברסלי מתייחס לתכונות שיהיו משותפות לתדרי הרטט של כל מערכת מורכבת מספיק; לא אוניברסלי לתכונות ספציפיות לחומר גרגירי שנתקע.
Narayan ומטהור מראים שהמאפיינים האוניברסליים של הספקטרום מתוארים על ידי תורת המטריצות האקראיות, ענף במתמטיקה שפותח על ידי פיזיקאים גרעיניים בשנות ה-50. לאפשרות שתיאוריית המטריצות האקראיות עשויה להיות ישימה על תנודות של חומר גרגירי יש קודמים חשובים. אבל בעבודה החדשה, הוכח באופן משכנע לראשונה שהספקטרום מתואר על ידי טעם מסוים של תיאוריית המטריצות האקראית הנקרא אנסמבל לגאר.
Narayan ומטהור גם פיתחו מודל של תנודות של חומר גרגירי תקוע המסוגל להסביר כמה מהתכונות הלא-אוניברסליות של הספקטרום. מודל זה דומה מאוד למודל שפותח על ידי Narayan לפני שנים רבות שנועד לפתור חידה חשובה אחרת לגבי חומר גרגירי: כיצד מתחלק הלחץ בחבילות חרוזים דחוסות.
מציאת תיאור אחיד של תופעות שונות היא מטרה מרכזית של הפיזיקה הבסיסית. מטרה חשובה לעבודה עתידית היא למזג את שני המודלים הקשורים לתיאור אחיד של התפלגות מתח וגם ספקטרום רטט.
חומר גרגירי הוא תזכורת, אמרו מאתור ונאריאן, שלא צריך רק להסתכל לעולם התת-אטומי או ליקום בקנה מידה קוסמולוגי כדי למצוא בעיות יסוד חשובות בלתי פתורות: בעיות מאתגרות ומשמעותיות לא פחות עשויות להימצא בעולם היומיומי סביב לָנוּ.
