В раннем возрасте большинство детей узнают, что прикосновение к горячей плите может обжечь их. Будь то прямой контакт с горячей поверхностью или лучи Солнца, сфокусированные в одной точке при помощи лупы, болезненные уроки теплопередачи настолько же интуитивны, насколько и незабываемы. Однако теперь ученые открыли новый необычный способ, с помощью которого тепло может перемещаться из точки А в точку Б. Благодаря странным квантово-механическим свойствам пустого пространства, тепло может перемещаться из одного места в другое вообще без помощи излучения.
Говоря простым языком, тепло — это энергия, которая возникает от движений частиц: чем быстрее они движутся, тем они горячее. В космических масштабах большая часть теплопередачи происходит через вакуум благодаря фотонам — частицам света, испускаемыми звездами: именно так Солнце нагревает нашу планету, несмотря на то, что оно находится на расстоянии около 150 миллионов километров от нас. Здесь, на Земле, тепловой поток часто более интимен, и теплопередача происходит через прямой контакт между материалами и поддерживается волнообразными коллективными колебаниями атомов, за которые отвечают квазичастицы — фононы.
Долгое время считалось, что фононы не могут передавать тепловую энергию через пустое пространство; они требуют, чтобы два объекта касались или, по крайней мере, находились во взаимном контакте с подходящей средой, такой как воздух. Именно это позволяет термосам эффективно сохранять тепло: между двумя слоями металла находится вакуум, из-за чего теплообмен между внутренней капсулой с чаем и внешней практически сведен на нет. Тем не менее, ученые годами размышляли о возможности того, что фононы могут передавать тепло через вакуум, ссылаясь на необычный факт: квантовая механика диктует, что пространство никогда не может быть по-настоящему пустым.
Квантовая механика предполагает, что Вселенная по своей природе неточная: принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что как бы вы ни старались, вы не сможете определить импульс и положение субатомной частицы одновременно. Следствием этой неопределенности является то, что вакуум никогда не бывает полностью пустым, а вместо этого гудит от квантовых флуктуаций — так называемых виртуальных частиц, которые постоянно появляются и исчезают. «Вакуум никогда не бывает полностью вакуумом», — говорит Сян Чжан, физик из Калифорнийского университета в Беркли и старший автор нового исследования по фононному теплообмену, опубликованного в журнале Nature в декабре прошлого года.
Визуализация квантовых флуктуаций.
Десятилетия назад ученые обнаружили, что виртуальные частицы были не просто теоретическими предположениями, они вполне способны генерировать обнаруживаемые силы. Так, существует эффект Казимира — он описывает силу притяжения, наблюдаемую между определенными объектами в непосредственной близости: например, между двумя зеркалами, расположенными близко друг к другу в вакууме. Из-за того, что между зеркалами могут образовываться только определенные виртуальные фотоны, их световое давление внутри оказывается меньше, чем снаружи зеркал, где могут образовываться любые фотоны — так и возникает сила притяжения.
Отсюда строится вполне простой вывод: если квантовые флуктуации могут привести к возникновению реальных сил, то, возможно, они могут делать и другие вещи, такие как передача тепла без теплового излучения. Чтобы понять, как может работать нагревание фононов с помощью квантовых флуктуаций, представьте себе два объекта с различными температурами, отделенные друг от друга вакуумом. Фононы в более теплом объекте могли бы передавать тепловую энергию виртуальным фотонам в вакууме, которые затем могли бы передавать эту энергию более холодному объекту. Если оба объекта представляют собой по существу скопления колеблющихся атомов, виртуальные частицы могут действовать как микропружины, помогая переносить колебания от одного тела к другому.
Вопрос о том, могут ли квантовые флуктуации действительно помочь фононам переносить тепло через вакуум, «обсуждался теоретиками в течение десятилетия или около того, иногда с совершенно разными оценками силы эффекта», — говорит физик Джон Пендри из Имперского колледжа Лондона, который не принимал участия в новом исследовании. В целом, все сходились на том, что эффект будет заметен с объектами, разнесенными всего на нанометр, объясняет он. А на таких крошечных расстояниях электрические взаимодействия или другие наноразмерные явления между объектами могут легко скрыть этот фононный эффект, что затруднит его измерение.
Чтобы справиться с этой проблемой, Чжан и его коллеги четыре года проводили эксперименты методом проб и ошибок, чтобы понять, смогут ли они достичь фононной теплопередачи в вакууме на масштабах в сотни нанометров. В их экспериментах использовались две мембраны из нитрида кремния, каждая толщиной примерно 100 нанометров. Будучи необычно легкими и тонкими, такие листы упрощали задачу понимания того, как энергия одного листа влияет на другой. Колеблющиеся атомы в листах заставляют каждую мембрану изгибаться взад и вперед на частотах, которые зависят от их температуры.
Схема установки Чжана.
Команда Чжана быстро поняла, что одинаковые листы с разными температурами будут колебаться с разной частотой. В итоге они подобрали размеры мембран таким образом, чтобы при разных температурах (13.85 и 39.35 градусов по Цельсию соответственно) они колебались с одинаковой частотой 191 600 Гц. Два объекта, резонирующих на одной и той же частоте, имеют тенденцию эффективно обмениваться энергией: многим знаком пример резонанса, когда оперный певец подбирает нужную ноту, чтобы заставить бокал шампанского разбиться.
Кроме того, исследователи позаботились о том, чтобы мембраны находились параллельно друг другу на расстоянии в несколько сотен нанометров, и при этом были чрезвычайно гладкими, с дефектами поверхности не более 1.5 нанометров. Закрепленные в вакуумной камере, одна мембрана была сопряжена с нагревателем, а другая — с охладителем. Обе они были покрыты тонким слоем золота для лучшей отражательной способности и были освещены слабыми лазерами, чтобы обнаружить их колебания и, следовательно, и температуру. В процессе эксперимента ученые проверили, что мембраны не обмениваются теплом ни через поверхность, на которой они были закреплены, ни через какое-либо излучение видимого света, ни при помощи какого-либо иного электромагнитного излучения через вакуум.
«Этот эксперимент требовал очень чувствительного контроля температуры и расстояния между пластинами», — говорит Чжан. «Однажды у нас были проблемы с проведением эксперимента летом из-за жаркой погоды, поднявшей температуру в лаборатории. Кроме того, сам эксперимент занимает очень много времени для устранения влияния шумов — для каждого измерения потребовалось четыре часа».
В конце концов, Чжан и его коллеги обнаружили, что когда мембраны были разнесены на расстояние менее 600 нанометров, они начали демонстрировать необъяснимые известными способами теплопередачи изменения температуры. При расстоянии меньше 400 нанометров скорость теплообмена была достаточной для того, чтобы мембраны имели почти идентичную температуру, демонстрируя эффективность нового метода теплопередачи.
Внешний вид установки.
Получив успешные результаты, исследователи смогли рассчитать максимальное количество энергии, передаваемой через вакуум: около 6.5 × 10–21 джоулей в секунду. При такой скорости теплообмена потребуется около 50 секунд, чтобы передать количество энергии, содержащееся всего в одном фотоне видимого света. Эта цифра может показаться ничтожной, но Чжан отмечает, что это по-прежнему «новый механизм передачи тепла между объектами».
В принципе, звезды могут нагревать свои планеты через этот новый механизм теплопередачи. Однако, учитывая задействованные расстояния, величина этого эффекта будет настолько мала, что, по словам Чжан, практически никак не повлияет на конечные температуры планет.
Если говорить о реальных возможных применениях нового вида теплопередачи, то конечно же можно вспомнить про электронику. «Например, в жестких дисках магнитная головка для чтения и записи перемещается над поверхностью диска на расстоянии всего в три нанометра», — говорит Чжан. «На таком коротком расстоянии новый эффект теплопередачи, как ожидается, будет играть важную роль, и поэтому его следует учитывать при разработке магнитных записывающих устройств».
Чжан также отмечает, что квантовые флуктуации включают в себя не только виртуальные фотоны. «Могут ли квантовые флуктуации гравитационных полей привести к возникновению механизма теплопередачи, который играет определенную роль в космологических масштабах — это интересный открытый вопрос», — говорит Чжан.
Бессовестно простой способ развязывания узла целлофанового пакета