Формула Планка о радиационном теплопереносе выдержала столетие интенсивных испытаний, но новый анализ показал, что закон терпит неудачу в наномасштабе.
Еще не все так ясно, как хотелось бы, но обычно там, где привычные законы терпят неудачу, могут вырасти новые открытия. Такая находка не только повлияет на физику в атомном масштабе — она может повлиять на все, от климатических моделей до нашего понимания планетарной формации.
Основополагающий закон квантовой физики был недавно проверен исследователями из
колледжа Вильгельма и Марии и Мичиганского Университета, которым было любопытно, может ли старое правило описать то, как тепло излучается наноразмерными объектами.
Мало того, что закон терпит неудачу, экспериментальный результат в 100 раз больше, чем предсказанная формулой цифра, показывая, что наноразмерные объекты могут излучать и поглощать тепло с гораздо большей эффективностью, чем могут объяснить текущие модели.
«Важно экспериментально измерить что-то, но также важно на самом деле понять, что происходит.» — говорит физик Мумтаз Газильбаш.
Планк — одно из самых громких имен в физике. Хотя было бы заблуждением приписывать рождение квантовой механики одному человеку, его работа сыграла ключевую роль в том, чтобы эта отрасль появилась.
Люди знали с древних времен, что горячие вещи светятся светом. Мы также довольно давно поняли, что существует связь между цветом этого света и его температурой.Чтобы изучить это в деталях, физики в 19 веке измеряли цвет света внутри черного, нагретого ящика, наблюдая через крошечное отверстие. Это «излучение черного тела» обеспечило достаточно точную меру этой связи.
Придумывание простых формул для описания длин волн цвета и их температуры оказалось довольно сложной задачей, и Планк подошел к ней с несколько иного угла.
Его подход состоял в том, чтобы рассматривать то, как свет поглощается и излучается, как качание маятника, с дискретными количествами энергии, поглощаемой и выплевываемой. Не то, чтобы он действительно думал, что это так – это был просто удобный способ моделировать свет.
Как ни странно поначалу, модель работала отлично. «Количественный» энергетический подход породил десятилетия дискуссий и стал основой физики, какой мы ее знаем.
Закон лежит в основе теории, описывающей максимальную частоту, с которой тепловая энергия может выделяться из объекта при заданной температуре. Он демонстрирует себя наилучшим образом когда дело касается видимых предметов находящихся на расстоянии. Но что, если мы сдвинем эти объекты вместе, так что пространства между ними не будет достаточно для одной длины волны испускаемого света?
Физики, хорошо разбирающиеся в динамике электромагнетизма, уже знают, что в этой области, известной как область «ближнего поля», происходят странные вещи.
С одной стороны, взаимосвязь между электрическим и магнитным аспектами электромагнитного поля становится более сложной. То, как это может повлиять на взаимодействие нагретых объектов, уже было в центре внимания предыдущих исследований, которые установили большие различия в том, как тепло движется в ближнем поле по сравнению с дальним полем, наблюдаемым Планком.
Но это только в том случае, если зазор ограничен расстоянием, меньшим длины волны излучаемого излучения. Что насчет размера самих объектов?
Перед исследователями стояла непростая задача. Они должны были спроектировать объекты размером менее 10 микрон-примерную длину волны инфракрасного света. Они располагались на двух мембранах нитрида кремния толщиной всего в полмикрона, разделенных расстоянием, которое хорошо вмещало их в дальнее поле.
Нагревание одного и измерение второго позволили исследователям проверить закон Планка, получив результаты с достаточной степенью точности.
«Закон Планка говорит, что если применить идеи, которые он сформулировал, к двум объектам, то вы должны получить определенную скорость передачи энергии между ними», — говорит Газильбаш: «Ну, то, что мы наблюдали экспериментально, заключается в том, что скорость на самом деле в 100 раз выше, чем предсказывает формула, если объекты очень-очень малы.»
Полученная сверхэффективная скорость передачи энергии может реально изменить то, как мы понимаем передачу тепла в атмосфере или в охлаждающемся теле размером с планету. Степень этой разницы все еще остается загадкой, но с некоторыми потенциально глубокими последствиями.
«Там, где у вас есть радиация, играющая важную роль в физике и науке, вот где это открытие важно», — говорит Газильбаш.
