[논문 리뷰] New Hierarchic Theory of Condensed Matter and its Computerized Application to Water and Ice

Alex Käiväräinen|arXiv (Cornell University)|2001. 02. 26.

Oil Spill Detection and Mitigation인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 액체와 고체를 3차원 정적파(de Broglie, 진동수, 적외선 광자)의 집합으로 간주하는 새로운 양자 계층 이론을 제안하며, CAMP 컴퓨터 프로그램을 통해 물과 얼음의 종합적 시뮬레이션을 가능하게 한다. 이 이론은 약 300개의 물리적 성질에 대해 실험 데이터와 뛰어난 일치를 보이며, 고온에서의 거시적 분자 보즈 응축과 응집 클러스터를 통한 통합된 운동-열역학적 거동의 증거를 제시한다.

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

연구 동기 및 목표

• 액체와 고체 모두에 적용 가능한 통합된 양자 계층 이론의 개발.
• 응집물질의 미시적, 거시적, 거시적 성질을 연결하는 종합적 프레임워크의 부재를 해결.
• 새로운 수치 모델을 사용하여 물과 얼음의 다양한 물리적 성질, 상전이를 포함한 시뮬레이션.
• 물과 얼음에서 거시적 분자 보즈 응축의 존재와 역할 탐구.
• 예측 및 분석을 위한 다스케일 이론적·수치적 도구 개발.

제안 방법

• 열적 드 브로이 파(B-파장), 적외선 광자, 열적 격자진동수를 포함한 3차원 정적파의 집합으로 응집물질 모델링.
• 새로운 상태방정식 개발 및 총 내부에너지, 열용량, 표면장력, 증기압, 열전도도, 점성도, 자가확산도 이론 유도에 적용.
• 넓은 온도 범위에서 물리적 성질을 시뮬레이션하기 위해 컴퓨터 프로그램(CAMP, 저작권 1997) 구현.
• CAMP 프로그램을 사용해 24개의 양자 집합 진동과 그 동적 및 공간적 특성 계산, 실험으로는 접근 불가능한 숨겨진 매개변수 포함.
• 이론을 적용해 물과 얼음에서 삼투압, 빛 굴절, 브릴루앙 산란, 모스바우어 효과 예측 및 분석.
• 이론적 예측과 실험 데이터 비교를 통해 다수의 물리 현상에서 모델의 타당성 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 통합된 양자 계층 이론은 응집물질의 미시적, 거시적, 거시적 성질 간 상호관계를 어떻게 기술할 수 있는가?
• RQ2 물과 얼음의 상전이에서 거시적 분자 보즈 응축에 의해 형성된 응집 클러스터의 역할은 무엇인가?
• RQ3 CAMP 컴퓨터 프로그램은 넓은 온도 범위에서 물과 얼음의 300개 이상의 물리적 성질을 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ4 제안된 프레임워크 하에서 열용량, 표면장력, 자가확산도의 새로운 이론은 실험 데이터와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 클러스터 형성과 대칭성 변화를 기반으로 한 제1·제2종 상전이의 새로운 메커니즘의 본질은 무엇인가?

주요 결과

• 이론적 예측과 물과 얼음의 다양한 물리적 성질에 대한 가용한 실험 데이터 사이에 매우 양호한 일치를 보였다.
• 물과 얼음에서 고온에서의 거시적 분자 보즈 응축의 증거를 확보하였으며, 이는 응집 클러스터 존재를 시사한다.
• CAMP 컴퓨터 프로그램을 통해 넓은 온도 범위에서 액체와 고체의 약 300개의 물리적 매개변수, 상전이 포함 시뮬레이션 가능.
• 대칭성 변화를 동반한 응집 클러스터의 형성/융해 및 조립/해체 기반으로 제1·제2종 상전이의 새로운 메커니즘 제안.
• 이론은 양자역학 프레임워크 내에서 미시적, 거시적, 거시적 척도에서 운동학과 열역학을 성공적으로 통합하였다.
• 물과 얼음에서 24개의 양자 집합 진동의 동적 및 공간적 특성을 기술하는 숨겨진 매개변수들이 계산 가능하고, 이를 실증하였다.