Hőátadás kvantumingadozások révén Research and Science News
Nanos léptékű kísérletek azt mutatják, hogy a kvantumingadozásoknak köszönhetően két tárgy az üres térben sugárzás nélkül képes hőcserére.
Az új mechanizmus kvantumingadozásokat (a virtuális részecskék folyamatos megjelenése és eltűnése) használ a hőenergia fononokon keresztüli átadására az üres térben. [alex_west/iStock]
A legtöbb gyermek nagyon korán megtanulja, hogy megéghet, ha egy forró tűzhelyhez ér, vagy akár túl közel kerül a tűzhöz. Akár közvetlen érintkezés útján, akár az űrben terjedő fénysugarakon keresztül érkeznek, a hőátadással kapcsolatos tanulságok ugyanolyan intuitívak (és gyakran fájdalmasak), mint felejthetetlenek. De a tudósok most feltártak egy meglepő új módot arra, hogy a hő két pont között mozoghat. Az üres tér furcsa kvantumtulajdonságainak köszönhetően a hő a fény segítsége nélkül utazhat egyik helyről a másikra. A megállapítást december 11-én tették közzé a Nature folyóiratban.
Általánosságban elmondható, hogy a hő a részecskék mozgásával kapcsolatos energia: minél gyorsabban mozognak, annál melegebbek. Kozmikus méretekben szinte minden hőátadás az üres téren keresztül történik, a csillagok által kibocsátott fotonok (fényrészecskék) segítségével: a Nap így melegíti fel bolygónkat, annak ellenére, hogy körülbelül 150 millió kilométerre van. Itt, a Földön a hőáram gyakran intimebben jön létre, két anyag közvetlen érintkezésével és az atomok kollektív rezgéseinek segítségével, amelyek alapegységeit vagy kvantumait "fononoknak" nevezik.
Sokáig azt hitték, hogy a fononok nem tudják átvinni a hőenergiát az üres téren keresztül: két tárgyra van szükségük, amelyek kapcsolatban vannak vagy legalábbis megfelelő közeggel, például levegővel vannak összekötve. Ezt az elvet használják ki a termoszok annak érdekében, hogy tartalmuk forró vagy hideg maradjon: a belső tartály elszigeteléséhez vákuumot lezáró falat használnak. A tudósok azonban évek óta feltételezik, hogy a fononok vákuumon keresztül tudják továbbítani a hőt, amit a kvantummechanika furcsa következménye csábít: az a tény, hogy az űr soha nem lehet igazán üres.
A kvantummechanika szerint az univerzum eleve határozatlan: például bármennyire is próbálkozunk, soha nem tudjuk megadni egy szubatomi részecske helyzetét és lendületét sem. Ennek a bizonytalanságnak az eredményeként a vákuum kvantumingadozásokkal, virtuális részecskékkel zajlik, amelyek folyamatosan jönnek létre és pusztulnak el. "A vákuum soha nem teljesen üres" - mondja Xiang Zhang, a Berkeley-i Kaliforniai Egyetem fizikusa és a fononok segítségével végzett hőátadás új tanulmányának vezetője.
A tudósok évtizedekkel ezelőtt felfedezték, hogy a virtuális részecskék nemcsak elméleti lehetőségek, hanem kimutatható erőket generálhatnak. Például a Kázmér-effektus vonzó erő, amelyet bizonyos közeli tárgyak, például két tükrök vákuumban helyeznek el, nagyon rövid távolságra egymástól. Ezek a fényvisszaverő felületek a virtuális fotonok által generált erő hatására mozognak, amelyek folyamatosan megjelennek és eltűnnek.
Ha az ilyen rövid életű kvantumingadozások valódi erőket eredményezhetnek, elmélkedtek az elméleti szakemberek, talán képesek lennének hőátadásra hőátadás nélkül is. Annak szemléltetése érdekében, hogy ez a kvonumingadozások által segített fonon alapú fűtés miként fordulhat elő, képzeljen el két különböző hőmérsékletű, vákuum által elválasztott objektumot. A forróbb tárgyból származó fononok hőenergiát adhatnak a vákuum virtuális fotonjainak, amelyek ezt követően átvisszák a hűvösebb tárgyra. Ha mindkét objektum alapvetően oszcilláló atomok gyűjteménye, akkor a virtuális részecskék rugókként működhetnek, amelyek továbbítják a rezgéseket egyikről a másikra.
Az a kérdés, hogy a kvantumingadozások segíthetnek-e a fononoknak a vákuumban történő hőátadásban, "körülbelül egy évtizede vita tárgya az elméleti szakemberek között" - mondja John Pendry, a londoni Imperial College fizikusa, aki nem vett részt a tanulmányban. Új tanulmány. "Időnként a hatás erősségére vonatkozó becslések nagyon eltérőek voltak, mivel a számítások meglehetősen összetettek."