Група американських дослідників довела, що класичний закон батька квантової фізики Макса Планка про радіаційний теплоперенос не працює на рівні наночасток.
Фундаментальний закон Планка про радіаційний теплоперенос протримався добру сотню років, переживши безліч експериментів, які могли б його спростувати.
Чи не вистояв він перед новітнім експериментом групи американських фізиків, які вирішили перевірити, як закон Планка працює на рівні наночасток.
Об'єкти наномасштабу випромінюють тепло не так, як описує закон Планка, а отже, його не можна вважати універсальним.
Фактично, це може спричинити за собою перегляд наших уявлень про багатьох процесах і явищах. Наприклад, про кліматичні процеси і навіть процеси формування планет.
Закон Планка
Група фізиків з Коледжу Вільгельма і Марії (штат Вірджинія) і Мічиганського університету вирішила випробувати фундаментальний закон квантової фізики, сформульований німецьким фізиком Максом Планком в 1900 році.
Результати дослідження опубліковані в авторитетному журналі Nature.
Працюючи над завданням про випускательні здатності абсолютно чорного тіла, Планк висунув гіпотезу про те, що окремі атоми випускають випромінювання порціями (квантами), енергія яких пропорційна частоті випромінювання.
Роботи Планка послужили приводом для зародження цілого напряму науки — квантової фізики. А саме ім'я Планка стоїть фактично нарівні з такими стовпами фізики як Альберт Ейнштейн і Нільс Бор.
Даний закон є наслідком логічних міркувань про те, що чим гаряче предмет, тим яскравіше він світиться, а отже, є зв'язок між кольором світіння і його температурою.
Планк був не першим фізиком, які намагалися створити формули для опису довжини хвиль кольору і їх температури. Але він став першим вченим, який запропонував розглядати поглинання і випромінювання світла як хитання свого роду маятника з дискретними кількостями енергії.
Ці кількості отримали назву "кванти". І, власне, лягли в основу квантової фізики. А сам Планк в 1918 році отримав Нобелівську премію з фізики за цю теорію.
Саме ця модель лягла в основу закону Планка про радіаційний теплообмін, який є одним з фундаментальних постулатів сучасної фізики.
Справа в тому, що закон став основою для теорії, яка описує максимальну частоту, з якою об'єкт може виділяти теплову енергію при заданій температурі.
І у всіх колишніх експериментах закон виправдовував свою спроможність.
Здавалося, б його існування нічого вже не загрожує. Але американські фізики припустили, що то, що діє на рівні видимих об'єктів, не обов'язково діє на нанорівні. Що якщо зрушити об'єкти настільки близько один до одного, що між ними не буде достатньо простору для однієї довжини хвилі світла, що випускається?
Вчені, які займаються завданнями в галузі динаміки електромагнетизму і так званим "ближнім полем", давно знають, що тут часом відбуваються дуже дивні речі.
Ось і новий експеримент показав, що старий закон Планка не надто годиться для опису випромінювання тепла об'єктами наномасштабу.
Суть відкриття
Фізики спробували створити умови, в яких відстань між двома об'єктами, які обмінюються тепловою енергією, мізерно мало — менше довжини хвилі випромінювання.
Орієнтовна довжина хвилі інфрачервоного випромінювання становить 10 мікрон, отже вченим потрібно було розмістити досліджувані об'єкти на відстані менше цього. Для цього вчені використовували мембрани нітриду кремнію. Самі об'єкти також мали розмір менше 10 мікрон. Товщина мембран становила менше 1 мікрона.
Нагріваючи один об'єкт і вимірюючи температуру другого, вчені змогли визначити, з якою швидкістю відбувається передача тепла між ними.
З'ясувалося, що швидкість передачі тепла на нанорівні майже в 100 разів більше, ніж повинна бути згідно з формулою Планка. Отже, його закон не працює на нанорівні.
Об'єкти нанорівня випромінюють і поглинають тепло набагато ефективніше, ніж описує закон Планка.
Але чому це відбувається, і що це означає?
"Виміряти щось — вже досягнення, — говорить Мумтаз Казільбаш, один з авторів дослідження. — Але набагато важливіше зрозуміти, що відбувається насправді ".
За його словами, Планк своїм законом поклав початок квантової фізики. "Його [Планка] теорія полягала в тому, що світло є не просто електромагнітної хвилею, але дозованою електромагнітної хвилею, що складається з кількісних частинок — фотонів".
А енергія фотона, вважав Планк, залежить від частоти випромінювання, тобто її теж можна виміряти.
Можливо, фізика "ближнього поля" дійсно відрізняється від фізики "далекого поля", описуваного законом Планка. Ймовірно, тут існує якийсь інший взаємозв'язок між діелектрічними і магнітними аспектами електромагнітного поля.
Швидкість передачі тепла між об'єктами є одним з фундаментальних параметрів Всесвіту. Цей параметр відіграє ключову роль в моделях розвитку клімату, в процесах нагрівання і охолодження космічних тіл. І звичайно, у всіх процесах, де має місце радіація, підкреслює Казільбаш.
Ну і зрозуміло, сам факт того, що для наномасштаба потрібно якась "окрема" фізика, здатний розбурхати багато умів. Джерело
Шановні відвідувачі, дякуємо за можливість спілкування, за інтерес, який ви проявляєте до нашого видання і пропонуємо зробити електронну підписку на журнал "ВІР".
Подробиці на сайті http://vir.uan.ua/order