在納米尺度上,一個基本物理定律失效了!
2021-02-15 宇宙探索(加微信：yzts111111，拉你進微信群，一起探索宇宙奧秘）
普朗克輻射換熱定律在一個世紀的激烈試驗中得到了很好的驗證，但一項新的分析發現它在最小尺度上失敗了。
確切地說，這意味著什麼還不太清楚，但如果定律失效，新的發現就會接踵而至。這樣的發現不僅會影響到原子尺度上的物理學，它還會影響到從氣候模型到我們對行星形成的理解等一切問題。
最近，來自維吉尼亞威廉與瑪麗學院和密西根大學的研究人員對量子物理的基本定律進行了測試，他們對這個古老的規則是否能夠描述納米物體發射熱輻射的方式感到好奇。
這一定律不僅失效，而且實驗結果比預測值大100倍，這表明納米級物體能夠以遠比現有模型所能解釋的更高的效率發射和吸收熱量。
威廉與瑪麗學院的物理學家穆塔茲·齊茲巴什說：「這就是物理學的問題，對某物進行實驗測量是很重要的，但實際上理解正在發生的事情也很重要。」
人類自古以來就知道熱的東西會發光。我們也很久以前就知道，光的顏色和溫度之間有關係。
為了更詳細地研究這個問題，19世紀的物理學家通過一個小孔來觀察在一個黑色加熱的盒子裡光的顏色。這種「黑體輻射」為這種關係提供了一個相當精確的衡量標準。
想出簡單的公式來描述顏色的波長和它們的溫度被證明是相當有挑戰性的，所以普朗克從一個稍微不同的角度來研究它。
他的方法是把光的吸收和發射方式當作鐘擺的擺動，用離散的能量被吸收和吐出來。這並不是說他真的認為是這樣的-這只是一種方便的建模方法。
雖然剛開始看上去很奇怪，但這個模型運轉得很完美。這種「數量」的能量方法引發了幾十年來對現實本質的爭論，並逐漸形成了我們所知道的物理學的基礎。
普朗克輻射傳熱定律提供了一種理論，該理論描述了在給定溫度下物體所能散發的熱能的最大頻率。這對於在可見距離內分離的可見物體非常有效。但是，如果我們把這些物體推到一起，那麼它們之間的空間是不是發出的光的單一波長呢？「鐘擺」會發生什麼？
精通電磁學動力學的物理學家們已經知道在這個被稱為「近場」區域的地方會發生奇怪的事情。
首先，電磁場的電磁方面之間的關係變得更加複雜。
這可能會如何影響受熱物體的相互作用，這已經成為前人研究的焦點，與普朗克觀測到的遠場相比，在近場中熱的運動方式已經有了很大的不同。但是，如果這個間隙被限制在一個比輻射波長更小的距離內，就可以做到這一點。物體本身的大小呢？
研究人員面臨著相當大的挑戰。他們必須設計出小於10微米（紅外光波的近似長度）大小的物體。
它們在兩層只有半微米厚的氮化矽膜上，隔開一段距離，使它們很好地進入遠場。
加熱其中一個並測量第二個使他們能夠以相當精確的程度測試普朗克定律。
齊茲巴什說：「普朗克的輻射定律說，如果你把他的理論應用到兩個物體上，那麼你就應該得到兩個物體之間的能量轉移速率。我們在實驗中觀察到的是，如果物體非常小的話，這個速率實際上比普朗克定律預測的要高100倍。」
齊茲巴什把它比作吉他弦在不同地方沿著它的長度彈撥的過程。「如果你在這些地方摘下它，它在特定波長的共振會更有效。」
這一類比是將這一現象形象化的一種有用的方法，但了解這一發現背後的物理細節可能會產生一些重大影響。不僅僅是在納米技術領域，而是在更大的規模上。
這種高效率的能量傳遞率可能會改變我們對大氣中或行星大小的冷卻體中的熱量傳遞的理解。這種差異的程度仍然是一個謎，但有一些潛在的深遠影響。
齊茲巴什說：「無論在哪裡，輻射在物理學和科學中都扮演著重要的角色，這就是這一發現的重要之處。」
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