الفيزياء

هكذا كيف تسمح ميكانيكا الكم للحرارة بعبور الفراغ

 

يمكن للتأثير الغريب لفيزياء الكم أن يسمح للحرارة بعبور الفراغ. لقد أظهرت التجربة هذا للتو. حتى في الفضاء الفارغ ، تظهر الموجات الكهرومغناطيسية. إنها تنتج تجاذبًا بين غشائين صغيرين مهتزين (موضحة هنا باللونين الأحمر والأزرق)، هذه القوة تعادل درجات حرارتيهما.

تظهر تجربة جديدة أن ما يسمى بالتقلبات الكمومية تسمح للحرارة بربط مسافات صغيرة من الفضاء الفارغ

قاس العلماء طريقة جديدة لنقل الحرارة عبر الفضاء الفارغ. تم توقع مثل هذا الانتقال للحرارة. يحدث ذلك بفضل ميكانيكا الكم. هذه هي النظرية الفيزيائية التي تصف الأحداث بمقاييس صغيرة جدًا. حتى الآن ، ومع ذلك ، لم يتم عرض هذا النوع من انتقال الحرارة. في تجربة جديدة ، قفزت الحرارة عبر فجوة صغيرة فارغة يبلغ عرضها 300 نانومتر.

يمنع الفراغ عادة معظم أنواع انتقال الحرارة. يساعد هذا في تفسير سبب إبقاء الترمس المُحكم الإغلاق على الكاكاو ساخنًا في مباراة كرة قدم باردة.

تنتقل الحرارة عادةً من خلال ثلاثة مسارات رئيسية: التوصيل والحمل الحراري والإشعاع. يصف التوصيل انتقال الحرارة عبر التلامس المباشر للمواد. ينقل الحمل الحراري الحرارة من خلال حركات الغازات أو السوائل. (أحد الأمثلة: ارتفاع الهواء الساخن). لا يعمل أي منهما في مكان فارغ. لكن الإشعاع - انتقال الحرارة عبر الموجات الكهرومغناطيسية - يمكن أن يحدث عبر الفراغ. في الواقع ، هذه هي الطريقة التي تدفئ بها الشمس الأرض.

يقول كينغ يان فونغ: "تمنحك ميكانيكا الكم طريقة جديدة لتمرير الحرارة عبر الفراغ". عمل هذا الفيزيائي على الدراسة أثناء وجوده في جامعة كاليفورنيا ، بيركلي. لكن انتقال الحرارة هذا ملحوظ فقط في ظل ظروف خاصة. يجب أن يكون المدى الذي تتحرك خلاله الحرارة صغيرًا بشكل مثير للدهشة.

على مسافات نانومترية ، يمكن للحرارة عبور الفراغ بفضل التقلبات الكمية. هذه هي الجسيمات والحقول المؤقتة التي تظهر للحظات قصيرة ثم تختفي. تحدث حتى في الفضاء الفارغ.

لاختبار ما إذا كانت الحرارة تنتقل بالفعل بهذه الطريقة ، أجرى الباحثون تجربة. استخدموا غشائين صغيرين مهتزين مصنوعين من نيتريد السيليكون المطلي بالذهب. قياس كل منها حوالي 300 ميكرومتر فقط. قام الباحثون بتبريد أحد الغشائين وتسخين الآخر. لقد جعلوا واحدا أكثر دفئًا من الأخر بِ- 25 درجة مئوية.

إليك الإعداد الذي تم فيه اختبار الغشائين (الموجودين على صفائح نحاسية في المركز) في غرفة مفرغة (كما هو موضح). سمح إعداد المختبر هذا للعلماء بالتحكم في درجات حرارة الأغشية ومواضعها بدقة.

تسببت الحرارة في اهتزاز الأغشية مثل رأس الطبل. كلما كان الغشاء أكثر دفئًا ، زاد اهتزازه بقوة. ثم نقل الباحثون الأغشية إلى حوالي مائة ألف من البوصة من بعضها البعض. لا شيء يفصل بينهما سوى مساحة فارغة. قبل مضي وقت طويل ، كانت درجات حرارتهم تتطابق مرة أخرى. أظهر هذا أن الحرارة قد انتقلت بينهما.

شارك الباحثون النتائج التي توصلوا إليها في 12 ديسمبر 2019 Nature.

تقول صوفيا ريبيرو من جامعة دورهام في إنجلترا : "إنه أمر مثير للغاية". هي باحثة في البصريات الكمومية. وأشارت إلى أن العلماء كانوا يعملون على تطوير آلات صغيرة تستفيد من الحرارة في هذه المقاييس الكمومية. وتقول إن الدراسة الجديدة "تفتح ... منصة ضخمة سيكون من المثير للاهتمام استكشافها."

ماذا يحدث؟

ينتج هذا النوع الجديد من نقل الحرارة مما يعرف بتأثير كازيمير. يصف كيف تنتج التقلبات الكمومية قوة جذب بين الأسطح على جانبي الفراغ في الفضاء.

وفقًا لفيزياء الكم ، لا يكون الفضاء الفارغ فارغًا أبدًا: فالموجات الكهرومغناطيسية تنفجر باستمرار وتخرج من الوجود. على الرغم من وصفها بأنها "افتراضية" ، يمكن لهذه الموجات أن تمارس قوى حقيقية على المواد. في الفراغ بين الأسطح ، يمكن أن يكون لتلك الموجات أطوال موجية معينة فقط. لكن يمكن أن توجد موجات من أي حجم في الخارج. وهذا الفائض من الموجات الخارجية يمكن أن يخلق ضغطًا داخليًا. في التجربة الجديدة ، أثر الغشاءان على بعضهما البعض بهذه القوة. على سبيل المثال ، فإن اهتزاز الجسم الأكثر دفئًا يهز الجسم الأكثر برودة. تسبب ذلك في معادلة درجات الحرارة.

يقول الفيزيائي جون بندري: "إنها تجربة رائعة جدًا". يعمل في إنجلترا في إمبريال كوليدج لندن.

يمكن تسخير هذا النوع الجديد من نقل الحرارة لتحسين كفاءة عمل الأجهزة النانوية. يقول بندري: "الحرارة مشكلة كبيرة في تكنولوجيا النانو". مدى جودة عمل الدوائر الصغيرة في الهواتف المحمولة والإلكترونيات الأخرى محدود بمدى سرعة الجهاز في تسليط الحرارة.

 

يأمل Pendry في رؤية مثل هذه التجارب المستقبلية تبحث في الدور الذي قد يلعبه هذا التأثير في أجهزة الحياة الواقعية. يقول إنه كان من الممكن أن نطلب ذلك كثيرًا في هذه الدراسة الأولى. يعترف بأن ذلك سيكون "جشعًا".

المصدر

النشرة البريدية

الرجاء تعبئة التفاصيل ادناه لتلقي نشرتنا البريدية