Фундаментален закон във физиката се провали в тест с обекти в нано мащаб
Последно: 19 юни 2024 г. в 10:20
Законът на Планк за интензивността на излъчване на абсолютно черно тяло се доказваше добре в тестовете в продължение на цял век, но нов анализ показва, че се проваля при най-малкия мащаб.
Какво точно означава това не е съвсем ясно все още, но когато се „чупят“ фундаментални закони, обикновено следват нови открития. Такова откритие няма просто да засегне физиката на атомно ниво, но може да повлияе на всичко – от климатични модели до разбирането ни за формирането на планетите.
Законът на Планк е бил тестван от учени от “Уилям и Мери“ във Вирджиния и Университета на Мичиган, които били любопитни дали старото правило може да опише как топлинната радиация се емитира от нано обекти.
Законът не само се провалил, но експерименталният резултат се оказал 100 пъти по-голям от прогнозата, което означава, че нано обектите могат да излъчват и да абсорбират топлина с много по-голяма ефективност от тази, която настоящите модели могат да обяснят.
„Така е във физиката,“ казва физикът от Уилям и Мери Мумтаз Казилбаш. „Важно е да премериш нещо експериментално, но също така е важно действително да разбереш какво точно се случва.“
Планк е едно от най-големите имена във физиката. Би било подвеждащо да кажем, че той е бащата на квановата механика, но работата му със сигурност играе ключова роля в сектора.
От древни времена хората знаят, че горещите неща излъчват светлина. Знаем също така, че има връзка между цвета на светлината и нейната температура.
За да проучат това в детайл, физиците от 19 век биха изследвали цвета на светлината вътре в черна нагрята кутийка, гледайки през малка дупка. Тази „радиация на черно тяло“ дала сравнително прецизна мярка за това отношение между цвета на светлината и температурата.
Намирането на проста формула, която да опише дължината на вълната в цветовете и нейната температура се оказало голямо предизвикателство, затова Планк подхванал темата под различен ъгъл.
Подходът му бил да опише начина, по който светлината се абсорбира и излъчва като махало с изразходването на дискретни количества енергия която се засмуква и изхвърля. Това просто бил удобен начин да се опише модел на светлината.
Моделът сработил перфектно. Този подход с „количество“ енергия генерира десетилетия дебати за естеството на реалността и формира основите на физиката, каквато я познаваме днес.
Законът за топлинния трансфер на Планк представлява теория, която описва максималната честота, при която топлинна енергия може да бъде излъчвана от обект при определена температура.
Това работи много добре при видими обекти, разделени на видимо разстояние. Но какво става ако приближим обектите един до друг, ако разстоянието между тях не стига до единична дължина на светлинната вълна, която се емитира? Какво става тогава с махалото?
Физиците, които се занимават с динамиката на електромагнетизма вече знаят, че тук се случват странни неща – в зоната, известна като близкото поле. Връзката между електрическия и магнитния аспекти на електромагнитното поле става по-комплексна.
И предишни изследвания са установявали големи разлики между начина, по-който се движи топлината в близкото поле в сравнение с далечното поле, наблюдавано от Планк. Но това само в случаите, когато разстоянието е по-малко от дължината на вълната на емитираната радиация. А размерът на самите обекти?
Пред изследователите имало голямо предизвикателство. Те трябвало да създадат обекти с размер около 10 микрона – приблизителната дължина на вълната на инфрачервената светлина.
Учените използвали две мембрани с дебелина едва половин микрон, разделени на разстояние, което ги позиционира в далечното поле.
Нагряването на едната мембрана и измерването на другата им позволило да тестват закона на Планк с висока степен на прецизност.
„Законът на Планк за радиацията казва, че ако приложим неговите идеи, формулирани за два обекта, то трябва да получим дефинирана степен на енергиен трансфер между тях“, казва Казилбаш.
„Това, което наблюдавахме в експеримента е, че степента на енергиен трансфер всъщност е 100 пъти по-висока от това, което казва законът на Планк при много малки обекти.“
Казилбаш оприличава явлението на вклюването на струна от китара на различни места по нейната дължина. „Включването на различни места ще доведе до по-ефективен резонанс на определи места по нейната дължина.“
Аналогията представлява полезен начин за визуализация на феномена, но разбирането на физичните детайли зад това откритие може да има голямо отражение върху модерната физика. При това не говорим само за нанотехнологиите, а в далеч по-голям мащаб.
Този хипер ефективен енергиен трансфер може да промени разбирането ни за излъчването на топлина в атмосферата или при охлаждането на тела с размерите на планети. Все още е мистерия откъде идват различията, но потенциалът на откритието е голям.
„Навсякъде, където радиацията играе важна роля във физиката и науката, там това откритие е с голяма важност“, допълва Казилбаш.
