Transferul de căldură prin fluctuații cuantice Știri de cercetare și știință
Experimentele la scară nano arată că două obiecte pot schimba căldura prin spațiul gol fără a fi nevoie de radiații, datorită fluctuațiilor cuantice.
Noul mecanism folosește fluctuațiile cuantice (aspectul continuu și dispariția particulelor virtuale) pentru a transmite energia termică prin fononi prin spațiul gol. [alex_west/iStock]
Majoritatea copiilor învață foarte devreme că se pot arde dacă ating o sobă fierbinte sau chiar se apropie prea mult de foc. Fie că vin prin contact direct sau prin raze de lumină care se propagă prin spațiu, lecțiile despre transferul de căldură sunt la fel de intuitive (și adesea dureroase) pe cât de de neuitat. Dar oamenii de știință tocmai au dezvăluit o nouă modalitate surprinzătoare prin care căldura se poate deplasa între două puncte. Datorită proprietăților cuantice ciudate ale spațiului gol, căldura poate călători dintr-un loc în altul fără ajutorul luminii. Constatarea a fost publicată pe 11 decembrie în revista Nature.
În general vorbind, căldura este energia legată de mișcarea particulelor: cu cât se mișcă mai repede, cu atât sunt mai fierbinți. La scări cosmice, aproape tot transferul de căldură are loc prin spațiul gol, prin intermediul fotonilor (particule de lumină) emise de stele: așa Soarele ne încălzește planeta, în ciuda faptului că se află la aproximativ 150 de milioane de kilometri distanță. Aici pe Pământ, fluxul de căldură este adesea produs mai intim, prin contactul direct între două materiale și cu ajutorul vibrațiilor colective ale atomilor, ale căror unități de bază sau cuante sunt numite „fononi”.
Multă vreme s-a crezut că fononii nu pot transfera energia termică prin spațiul gol: au nevoie de două obiecte care erau în contact sau, cel puțin, conectate printr-un mediu adecvat, cum ar fi aerul. Acest principiu este cel pe care îl folosesc termosele pentru a-și menține conținutul cald sau rece: folosesc un perete care închide un vid pentru a izola un recipient interior. Cu toate acestea, oamenii de știință au speculat de ani de zile că fononii ar putea transmite căldura printr-un vid, ademeniți de o consecință curioasă a mecanicii cuantice: faptul că spațiul nu poate fi niciodată cu adevărat gol.
Conform mecanicii cuantice, universul este inerent nedeterminat: de exemplu, oricât am încerca, nu putem specifica niciodată poziția și impulsul unei particule subatomice. Ca urmare a acestei incertitudini, vidul este plin de fluctuații cuantice, particule virtuale care sunt în mod constant create și distruse. „Un vid nu este niciodată complet gol”, spune Xiang Zhang, fizician la Universitatea California din Berkeley și autor principal al noului studiu privind transferul de căldură folosind fononi.
Oamenii de știință au descoperit în urmă cu zeci de ani că particulele virtuale nu erau doar posibilități teoretice, ci puteau genera forțe detectabile. De exemplu, efectul Casimir este o forță de atracție observată între anumite obiecte din apropiere, cum ar fi două oglinzi situate în vid la o distanță foarte mică una de alta. Aceste suprafețe reflectorizante se mișcă datorită forței generate de fotoni virtuali care apar și dispar continuu.
Dacă astfel de fluctuații cuantice de scurtă durată ar putea da naștere la forțe reale, teoreticienii au meditat, probabil că ar fi și ei capabili să transfere căldură fără radiații termice. Pentru a vizualiza modul în care ar putea apărea această încălzire bazată pe fonon asistată de fluctuații cuantice, imaginați-vă două obiecte la temperaturi diferite separate de un vid. Fononii de la obiectul mai fierbinte ar putea conferi energie termică fotonilor virtuali din vid, care l-ar transfera apoi către obiectul mai rece. Dacă ambele obiecte sunt practic colecții de atomi oscilanți, particulele virtuale ar putea acționa ca arcuri care transportă vibrațiile de la unul la altul.
Întrebarea dacă fluctuațiile cuantice ar putea ajuta fononii să transfere căldura printr-un vid „a fost subiectul dezbaterii în rândul teoreticienilor timp de aproximativ un deceniu”, spune John Pendry, fizician la Imperial College din Londra care nu a fost implicat în studiu. Nou studiu. „Uneori, estimările puterii efectului variau enorm, deoarece calculele sunt destul de complexe”.