[論文レビュー] New Hierarchic Theory of Condensed Matter and its Computerized Application to Water and Ice

Alex Käiväräinen|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2001

Oil Spill Detection and Mitigation被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、液体および固体を3次元定常波（de Broglie波、フォノン、赤外線光子）の集合体として扱う、新しい量子階層理論を提案する。これにより、CAMPコンピュータープログラムを用いて水および氷の包括的シミュレーションが可能となり、実験データと良好な一致を示す。全300以上の物理的性質について、高温のミクロスコピック分子ボーズ凝縮の証拠および、コherentクラスタを介した統一的力学・熱力学的挙動が明らかになった。

ABSTRACT

This work contains review of original quantum Hierarchic theory of condensed matter, general for liquids and solids and its numerous branches. Computer program (copyright, 1997, Kaivarainen), based on new theory, was used for comprehensive simulations of water and ice physical properties. Condensed matter is considered as gas of 3D standing waves (collective excitations) of different nature: thermal de Broglie waves (waves B), IR photons and thermal phonons. Quantitative interrelation between microscopic, mesoscopic (as intermediate) and macroscopic properties of condensed matter are demonstrated. New theories of total internal energy, including contributions of kinetic and potential energy, heat capacity, surface tension, vapor pressure, thermal conductivity, viscosity and self-diffusion are described. Hierarchic theory of osmotic pressure, based on new state equation, new theories of light refraction, Brillouin light scattering and Mössbauer effect are presented also in article and compared with available experimental data for water and ice. Lot of hidden parameters, inaccessible for experiment, describing the dynamic and spatial properties of 24 quantum collective excitations of matter, can be calculated also, as demonstrated on examples of water and ice. Total number of physical parameters of liquids and solids in wide T-interval, including that of phase transitions, to be possible to evaluate using CAMP computer program, is about 300. The agreement between theoretical and available experimental results is very good. The evidence of high-T mesoscopic molecular Bose condensation (BC) in water and ice in form of coherent clusters is obtained. The new mechanisms of the 1st and 2nd order phase transitions, related to such clusters formation/melting, their assembly/disassembly and symmetry change is proposed. Theory unifies dynamics and thermodynamics on microscopic, mesoscopic and macroscopic scales in terms of quantum physics. The idea of new optoacoustic device: Comprehensive Analyzer of Matter Properties (CAMP) with huge informational possibilities, based on computer program, elaborated and its multisided applications are described. This work may be considered as a

研究の動機と目的

• 液体および固体の両方に適用可能な、統一的量子階層理論の構築を目的とする。
• 微視的、ミクロスコピック的、巨視的性質を結びつける包括的フレームワークの欠如に応えること。
• 新しい計算モデルを用いて、相転移を含む水および氷の広範な物理的性質のシミュレーションを実施すること。
• 水および氷におけるミクロスコピック分子ボーズ凝縮の存在と役割を調査すること。
• 微視的、ミクロスコピック的、巨視的スケールの凝縮 Matter 挙動を予測・分析可能なマルチスケール理論的・計算的ツールの開発

提案手法

• 凝縮 Matter を、熱的 de Broglie 波（B波）、赤外線光子、熱的フォノンを含む3次元定常波の気体としてモデル化する。
• 新しい状態方程式を構築し、全内部エネルギー、比熱、表面張力、蒸気圧、熱伝導率、粘性率、自己拡散率の理論を導出する。
• 広い温度範囲にわたり物理的性質をシミュレートするためのコンピュータープログラム（CAMP、著作権1997年）を実装する。
• CAMPプログラムを用いて、24個の量子集団励起状態とその動的および空間的性質（実験では測定不可能な隠れたパラメータを含む）を計算する。
• 理論を応用し、水および氷における浸透圧、光の屈折、ブライルーイン散乱、モッスバウアー効果を予測・分析する。
• 理論的予測と実験データを比較し、多数の物理現象においてモデルの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 統一的量子階層理論は、凝縮 Matter の微視的、ミクロスコピック的、巨視的性質の関係をどのように記述できるか？
• RQ2 ミクロスコピック分子ボーズ凝縮によって形成されるコherentクラスタは、水および氷の相転移において果たす役割は何か？
• RQ3 CAMPコンピュータープログラムは、広い温度範囲にわたり水および氷の300以上の物理的性質を正確に予測できるか？
• RQ4 提案された枠組みのもとで、比熱、表面張力、自己拡散率の新しい理論は、実験データとどのように一致するか？
• RQ5 クラスタ形成および対称性の変化に基づく、一次および二次相転移の新しいメカニズムの本質は何か？

主な発見

• 理論的予測と実験データとの間で、水および氷の広範な物理的性質について良好な一致が得られた。
• 水および氷に高温のミクロスコピック分子ボーズ凝縮の証拠が得られ、コherentクラスタの存在が示唆された。
• CAMPコンピュータープログラムを用いて、広い温度範囲にわたり液体および固体の約300の物理的パラメータ（相転移を含む）の計算が可能となった。
• 対称性の変化を伴うコherentクラスタの形成／融解および集合／解体に基づく、一次および二次相転移の新しいメカニズムが提案された。
• 理論は、量子力学的枠組み内で、微視的、ミクロスコピック的、巨視的スケールにおける力学と熱力学の統一に成功した。
• 物質内における24個の量子集団励起状態の動的および空間的特徴を記述する隠れたパラメータが、計算可能であり、水および氷に対して実証された。