Пренос на топлина чрез квантови колебания Изследвания и научни новини
Експериментите с наномащаб показват, че два обекта могат да обменят топлина през празното пространство без нужда от радиация, благодарение на квантовите колебания.
Новият механизъм използва квантови колебания (непрекъснатото появяване и изчезване на виртуални частици) за предаване на топлинна енергия през фонони през празното пространство. [alex_west/iStock]
Повечето деца научават много рано, че могат да изгорят, ако докоснат гореща печка или дори се доближат твърде много до огън. Независимо дали те идват чрез директен контакт или чрез лъчи светлина, разпространяващи се в пространството, уроците по пренос на топлина са толкова интуитивни (и често болезнени), колкото и незабравими. Но учените току-що разкриха изненадващ нов начин, по който топлината може да се движи между две точки. Благодарение на странните квантови свойства на празното пространство, топлината може да пътува от едно място на друго без помощта на светлина. Констатацията е публикувана на 11 декември в списание Nature.
Най-общо казано, топлината е енергията, свързана с движението на частиците: колкото по-бързо се движат те, толкова по-горещи са. В космически мащаби почти цялото пренасяне на топлина става през празно пространство, посредством фотони (светлинни частици), излъчвани от звездите: така Слънцето загрява нашата планета, въпреки че е на около 150 милиона километра разстояние. Тук на Земята потокът от топлина често се произвежда по-интимно, чрез директен контакт между два материала и с помощта на колективните вибрации на атомите, чиито основни единици или кванти се наричат „фонони“.
Дълго време се смяташе, че фононите не могат да пренасят топлинна енергия през празно пространство: те се нуждаят от два обекта, които са в контакт или поне са свързани с подходяща среда като въздух. Този принцип се възползва от термосите, за да запази съдържанието си горещо или студено: те използват стена, която затваря вакуум, за да изолират вътрешен контейнер. Учените обаче години наред предполагат, че фононите могат да предават топлина през вакуум, съблазнен от странно следствие от квантовата механика: фактът, че пространството никога не може да бъде наистина празно.
Според квантовата механика Вселената по своята същност е неопределена: например, колкото и да се опитваме, никога не можем да определим както позицията, така и инерцията на субатомната частица. В резултат на тази несигурност, вакуумът е пълен с квантови колебания, виртуални частици, които постоянно се създават и унищожават. „Вакуумът никога не е напълно празен“, потвърждава Ксиан Джанг, физик от Калифорнийския университет в Бъркли и водещ автор на новото изследване за фононния топлопренос.
Учените откриха преди десетилетия, че виртуалните частици са не просто теоретични възможности, но могат да генерират откриваеми сили. Например ефектът на Казимир е привлекателна сила, наблюдавана между определени близки обекти, като две огледала, разположени във вакуум на много малко разстояние един от друг. Тези отразяващи повърхности се движат поради силата, генерирана от виртуални фотони, които непрекъснато се появяват и изчезват.
Ако такива краткотрайни квантови колебания биха могли да доведат до реални сили, разсъждаваха теоретиците, може би те също биха били способни да предават топлина без топлинно излъчване. За да визуализирате как може да възникне това фононно нагряване, подпомогнато от квантови колебания, представете си два обекта при различни температури, разделени от вакуум. Фононите от по-горещия обект биха могли да предадат топлинна енергия на виртуални фотони от вакуума, който след това да го прехвърли към по-хладния обект. Ако и двата обекта са основно колекции от трептящи атоми, виртуалните частици биха могли да действат като пружини, които носят вибрациите от единия към другия.
Въпросът дали квантовите колебания биха могли да помогнат на фононите да пренасят топлина през вакуум "е предмет на дебат сред теоретиците от около десетилетие", казва Джон Пендри, физик от Империал Колидж в Лондон, който не е участвал в изследването. "Понякога оценките за силата на ефекта варират изключително много, тъй като изчисленията са доста сложни."