Ученые пошатнули вселенную: опровергнут один из фундаментальных законов физики

Группа американских исследователей доказала, что классический закон отца квантовой физики Макса Планка о радиационном теплопереносе не работает на уровне наночастиц.

Фундаментальный закон Планка о радиационном теплопереносе продержался добрую сотню лет, пережив множество экспериментов, которые могли бы его опровергнуть.

Не выстоял он перед новейшим экспериментом группы американских физиков, которые решили проверить, как закон Планка работает на уровне наночастиц.

Объекты наномасштаба излучают тепло не так, как описывает закон Планка, а следовательно, его нельзя считать универсальным.

Фактически, это может повлечь за собой пересмотр наших представлений о многих процессах и явлениях. Например, о климатических процессах и даже процессах формирования планет.

Закон Планка

Группа физиков из Колледжа Вильгельма и Марии (штат Вирджиния) и Мичиганского университета решила подвергнуть испытанию фундаментальный закон квантовой физики, сформулированный немецким физиком Максом Планком в 1900 году.

Результаты исследования опубликованы в авторитетном журнале Nature.

Работая над задачей об испускательной способности абсолютно черного тела, Планк выдвинул гипотезу о том, что отдельные атомы испускают излучение порциями (квантами), энергия которых пропорциональна частоте излучения.

Работы Планка послужили поводом для зарождения целого направления науки - квантовой физики. А само имя Планка стоит фактически наравне с такими столпами физики как Альберт Эйнштейн и Нильс Бор.


Мумтаз Казильбаш (слева) с коллегами подверг сомнению закон Планка на уровне наночастиц
Данный закон является следствием логичных рассуждений о том, что чем горячее предмет, тем ярче он светится, а следовательно, есть связь между цветом свечения и его температурой.

Планк был не первым физиком, пытавшимся создать формулы для описания длины волн цвета и их температуры. Но он стал первым ученым, который предложил рассматривать поглощение и излучение света как качание своего рода маятника с дискретными количествами энергии.

Эти количества получили название “кванты”. И, собственно, легли в основу квантовой физики. А сам Планк в 1918 году получил Нобелевскую премию по физике за эту теорию.

Именно эта модель легла в основу закона Планка о радиационном теплообмене, который является одним из фундаментальных постулатов современной физики.

Дело в том, что закон стал основой для теории, которая описывает максимальную частоту, с которой объект может выделять тепловую энергию при заданной температуре.

И во всех прежних экспериментах закон оправдывал свою состоятельность.

Казалось, бы его существованию ничего уже не угрожает. Но американские физики предположили, что то, что действует на уровне видимых объектов, не обязательно действует на наноуровне. Что если сдвинуть объекты настолько близко друг к другу, что между ними не будет достаточно пространства для одной длины волны испускаемого света?

Ученые, которые занимаются задачами в области динамики электромагнетизма и так называемым “ближним полем”, давно знают, что тут порой происходят очень странные вещи.

Вот и новый эксперимент показал, что старый закон Планка не очень годится для описания излучения тепла объектами наномасштаба.

Суть открытия

Физики попытались создать условия, в которых расстояние между двумя объектами, которые обмениваются тепловой энергией, ничтожно мало - меньше длины волны излучения.

Примерная длина волны инфракрасного излучения составляет 10 микрон, следовательно ученым предстояло разместить исследуемые объекты на расстоянии меньше этого. Для этого ученые использовали мембраны нитрида кремния. Сами объекты также имели размер менее 10 микрон. Толщина мембран составляла менее 1 микрона.

Нагревая один объект и измеряя температуру второго, ученые смогли определить, с какой скоростью происходит передача тепла между ними.

Выяснилось, что скорость передачи тепла на наноуровне почти в 100 раз больше, чем должна быть согласно формуле Планка. Следовательно, его закон не работает на наноуровне.

Объекты наноуровня излучают и поглощают тепло намного эффективнее, чем описывает закон Планка.

Но почему это происходит, и что это значит?

“Измерить что-то - уже достижение, - говорит Мумтаз Казильбаш, один из авторов исследования. - Но гораздо важнее понять, что происходит на самом деле”.

По его словам, Планк своим законом положил начало квантовой физике. “Его [Планка] теория заключалась в том, что свет является не просто электромагнитной волной, но дозированной электромагнитной волной, состоящей из количественных частиц - фотонов”.

А энергия фотона, полагал Планк, зависит от частоты излучения, т.е ее тоже можно измерить.

Возможно, физика “ближнего поля” действительно отличается от физики “дальнего поля”, описываемого законом Планка. Вероятно, здесь существует некая иная взаимосвязь между электрическими и магнитными аспектами электромагнитного поля.

Скорость передачи тепла между объектами является одним из фундаментальных параметров Вселенной. Этот параметр играет ключевую роль в моделях развития климата, в процессах нагревания и остывания космических тел. И конечно, во всех процессах, где имеет место радиация, подчеркивает Казильбаш.

Ну и разумеется, сам факт того, что для наномасштаба требуется некая “отдельная” физика, способен взбудоражить многие умы.