علمی

مکانیک کوانتومی به شما اجازه می دهد تا گرما از خلاء عبور کند

دانشمندان روش جدیدی برای انتقال گرما در فضای خالی را اندازه گیری کرده اند. این انتقال گرما پیش بینی شده بود و به لطف مکانیک کوانتومی رخ می دهد. این یک نظریه فیزیک است که وقایع را در مقیاس بسیار اندک توصیف می کند. تاکنون ، این نوع انتقال حرارت هرگز نشان داده نشده بود. در یک آزمایش جدید ، گرما از شکاف خالی و ریز و از فاصله 300 نانومتری (تقریباً صد هزار اینچ) حرکت کرد.

مکانیک کوانتومی باعث میشود گرما از خلاء عبور کند

یک خلاء به طور معمول مانع از انتقال بیشتر انواع حرارت می شود. این موضوع توضیح میدهد که چرا یک قمقمه مهر و موم شده در خلاء ، شیر کاکائو داغ را در یک بازی فوتبال سرد نگه می دارد.

راه های انتقال گرما

گرما به طور معمول از طریق سه مسیر اصلی عبور می کند: انتقال ، همرفت و تابش. انتقال حرارت را از طریق تماس مستقیم مواد توصیف می کند. همرفت گرما را از طریق حرکت گازها یا مایعات انتقال می دهد. (یک مثال: هوای گرم بالا می رود.) هیچ یک از این دو در فضای خلاء کار نمی کنند. اما تابش : انتقال حرارت از طریق امواج الکترومغناطیسی  است می تواند در یک خلاء ایجاد شود. در واقع  اینگونه است که خورشید زمین را گرم می کند.

King Yan Fong می گوید ، اکنون “مکانیک کوانتومی راهی جدید برای عبور گرما به شما نشان می دهد”. این فیزیکدان در حال مطالعه در دانشگاه کالیفرنیا  برکلی ، روی این موضوع است. اما این انتقال حرارت فقط در شرایط خاص قابل توجه است و دهانه ای که گرما روی آن حرکت می کند باید بسیار کوچک باشد.

در فواصل نانومتر گرما به لطف نوسانات کوانتومی می تواند از خلاء عبور کند. این ذرات  زمینه های موقتی هستند که برای نمونه های مختصر ظاهر می شوند و سپس از بین می روند. آنها حتی در فضای خالی رخ می دهند.

محققان برای بررسی اینکه آیا گرما واقعاً از این طریق عبور می کند ، آزمایشی کردند. آنها از دو غشای کوچک و لرزاننده ساخته شده از نیترید سیلیکون با روکش طلا استفاده کردند. هر یک از آنها فقط حدود 300 میکرومتر (تقریباً صدم اینچ) اندازه گیری میکنند. محققان یک غشای را سرد کرده و دیگری را گرم کردند. آنها یکی را 25 درجه سانتیگراد (45 درجه فارنهایت) گرمتر از دیگری کردند.

vacuum chamber
این مجموعه ای است که در آن دو غشای (واقع در صفحات مسی در مرکز) در یک محفظه خلاء آزمایش شده اند (نشان داده شده). این آزمایشگاه به دانشمندان این امکان را می دهد که دقیقاً دمای و موقعیت غشاها را کنترل کنند | مکانیک کوانتومی

 

گرما باعث شد که غشاها که همانند چوب سر درام است ، لرزش داشته باشند. هر چه غشای گرمتر باشد با شدت بیشتری ارتعاش می یابد. سپس محققان غشاها را به حدود صد هزارم اینچ  نسبت به یکدیگر حرکت دادند و هیچ چیز آنها را از فضای خالی جدا نکرد. مدتها بعد درجه حرارت آنها دوباره با هم مطابقت داشت. این نشان می داد که گرما بین آنها جابجا شده است.

محققان یافته های خود را در تاریخ 12 دسامبر 2019 به اشتراک گذاشتند.

Sofia Ribeiro  از دانشگاه Durham در انگلیس می گوید: “این بسیار هیجان انگیز است. او یک محقق کوانتومی نوری  است. وی خاطرنشان می کند که دانشمندان در تلاشند تا ماشین های ریز تولید کنند که از گرما در این مقیاس های کوانتومی استفاده می کنند. او می گوید ، این مطالعه جدید ، “بستر بزرگی را باز می کند که می تواند بسیار جالب باشد.”

چه اتفاقی می افتد؟

این نوع  انتقال جدید حرارت ناشی از چیزی است که به عنوان اثر کازیمیر معروف است. این توضیح می دهد که چگونه نوسانات کوانتومی نیروی جاذبه بین سطوح در هر دو طرف خلاء موجود در فضا را ایجاد می کند.

طبق فیزیک کوانتومی  فضای خالی هرگز خالی نیست: امواج الکترومغناطیسی مرتباً داخل و خارج می شوند. اگرچه به عنوان “مجازی” توصیف شده است ، این امواج می توانند نیروهای واقعی را بر روی مواد اعمال کنند. در خلاء بین سطوح ، این امواج فقط می توانند طول موج خاصی داشته باشند. اما امواج از هر اندازه می توانند در خارج وجود داشته باشند و این بیش از حد امواج بیرونی می تواند یک فشار درونی ایجاد کند.

در آزمایش جدید ، این دو غشا با استفاده از آن نیرو  بر یکدیگر تأثیر پذیرفتند. مثلاً تکان دادن شیء گرمتر آن را سردتر می کند. همین امر باعث شده تا درجه حرارت آنها برابر شود.

جان پندری ، فیزیکدان می گوید: “این یک آزمایش بسیار منظم است.” او در انگلستان در امپریال کالج لندن کار می کند.

از این نوع انتقال جدید حرارت می توان برای بهبود عملکرد دستگاههای نانو استفاده کرد.

پندری می گوید: “گرما یک مسئله بزرگ در فناوری نانو است.” چگونه مدارهای ریز در تلفن های همراه و سایر لوازم الکترونیکی کار می کنند با چه سرعتی دستگاه می تواند گرما را محدود کند.

پندری امیدوار است که چنین آزمایشهایی آینده ای را بررسی میکند که نشان میدهد این اثر چه نقشی در دستگاههای زندگی واقعی ، می تواند داشته باشد.

منبع : sciencenewsforstudents

برچسب ها
مشاهده بیشتر

نوشته های مشابه

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

همچنین ببینید

بستن
دکمه بازگشت به بالا
بستن