@ 2018.09.09 , 12:00

普朗克的辐射传热定律失效了

一个多世纪以来,普朗克的辐射传热定律始终和现实符合的相当好,但是在一项新的实验里,我们发现它在最小尺度上失效了。

现在还不清楚这究竟意味着什么,但在既有理论失效的情况下,新的突破性观点也就随之而来。新发现的影响力不仅仅局限在原子尺度下的物理学,从气候模型到行星形成,过去所有相关的知识或许都需要重新书写。

由弗吉尼亚州威廉玛丽和密歇根大学的研究人员进行的实验,最初的出发点主要是他们想知道,古老的规则是否可以描述纳米尺度下物体的热辐射方式。

结果,定律失去了做出理论预言的能力,实验结果比预测的数值大100倍,这表明纳米级物体能够以比现有模型更效率地发射和吸收热量。

“这就是物理学的问题,”威廉玛丽大学的物理学家Mumtaz Qazilbash说。

“实际测量某些东西很重要,但真正理解现象背后的机制也很重要。”

普朗克是物理学历史上的伟大人物之一。虽然把量子力学的诞生归功于某个人会令公众产生误解,但他的工作确实发挥了关键性的作用。他和受他启发的波尔以及爱因斯坦,并称为量子力学三巨头。

人类很早以前就知道热的东西会发光。我们也知道,那个光或者说电磁波辐射的颜色和热源自身的温度之间存在某种关系。

普朗克的辐射传热定律失效了

为了描述这种关系,当时的物理学家试图从实验结果中推导出一个公式。结果始终无法找到一个能够完全描述现有结构的公式,所以普朗克换了一个角度来看待热辐射。

他将热量看成是电荷一类的东西,存在着最小的基数,物体每次辐射或吸收的热量都是那个基数的整数倍——并不是说他真的认为实际发生了这一过程——他只是把它当做数学技巧或描述方式。

这在当时看起来奇怪,但模型大获成功。离散化的能量引发了数十年关于现实本质的争论,并且现在被看作是物理学的基础。

普朗克的辐射传热定律描述了在给定温度下物体辐射热量的最大频率。

它非常有效地描述了分离的宏观对象之间的热辐射过程。但是,如果我们这些物体挨到极其接近的情况下,那么它们之间是不是发出单一波长的辐射呢? 热量又是如何得来回传递?

精通电磁动力学的物理学家已经知道那会发生奇怪的事情,那片区域被称为“近场”区域。百科指出美国麻省理工学院(MIT)2009年7月30日宣布,该校动力工程学华裔教授陈刚与其团队的研究,首次打破“黑体辐射定律”的公式,证实物体在极度近距时的热传导,可以高到定律公式所预测的一千倍之多。

但这是间隙距离小于辐射波长时发生的情况。热源本身的大小规模又有什么样的限制?

研究人员面临着巨大的挑战。他们不得不设计出径向小于10微米的物体,这一尺度近似红外线波长。

他们选择了两块仅有半微米厚的氮化硅薄膜,把它们隔开一段距离,使它们很好地处于“远场”。然后加热一个并测量另一个,可以相当精确地检验普朗克辐射定律。

“定律刻画两者之间的能量转移率。”Qazilbash说,“嗯,我们在实验中观察到的是,如果物体非常非常小,实际上的结果比普朗克定律的预测要高出100倍。”

Qazilbash将它比作沿着不同位置拔吉他弦。“在那些地方,它会更有效地和某些波长产生共振。”

类比只是一种方便描述的修辞工具,但发现背后的物理机制可能会产生重大的影响。

这种超高效的能量转移率可能会改变我们对大气中传热或者行星诞生之初从熔岩到冷却过程的理解。“无论是在物理学还是其他科学中,它都是重要的发现。”Qazilbash说。

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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