Неожиданно: ученые обнаружили поразительное исключение из закона физики, которому 200 лет

Фото: Getty Images

Еще в 1822 году французский математик и физик Жозеф Фурье представил закон физики, который впоследствии получил его имя. Этот закон описывает, как тепло передается или проводится через твердые материалы. Когда молекулы вибрируют, а электроны перемещаются, тепло распространяется от более горячего края объекта к более холодному со скоростью, которая пропорциональна разнице температур и площади, через которую проходит это тепло. Но за последние годы физики обнаружили, что на наноуровне такая модель диффузии не работает. То есть закон Фурье нарушается и больше не может предсказать, насколько быстро или медленно тепло будет проходить через твердый материал. Авторы нового исследования, опубликованного в журнале PNAS обнаружили поразительное исключение из закона физики, которому более 200 лет, пишет ScienceAlert.

Учитывая то, что закон Фурье не работает на наноуровне, авторы исследования решили выяснить, могут ли существовать подобные исключения из закона Фурье на макроуровне, в прозрачных материалах, таких как полупрозрачные полимеры и неорганические стекла. Такие материалы пропускают свет лишь определенных длин волн и хотят он не полностью поглощается, все же происходит его рассеивание и отражение.

Ученые предположили, что прозрачность таких твердых материалов позволяет не только распространяться теплу через них, но и позволяет тепловой энергии проходить через материалы в форме теплового излучения. Такое тепло переноситься по воздуху в виде электромагнитных волн, в основном инфракрасного излучения.

По словам ученых, они задались вопросом: может ли тепло проходить через твердые материалы иным способом, не таким как предполагается? Во время эксперимента физики взяли тестовые материалы и разместили их в вакуумной камере. В вакууме тепло не могло рассеиваться от материалов через воздух.

После этого физики направляли на очень короткое время на материалы лучи лазеров, чтобы нагреть их. После этого были проведены измерения того, как тепло распространяется через каждый из материалов.

Как показали результаты эксперимента, нагрев материалов происходил быстрее, чем можно было бы объяснить диффузией, то есть рассеиванием. Это указывает на то, что излучение вносит значительный вклад в тепловой поток в ранние периоды после получения теплового импульса, хотя вклад излучения уменьшается по мере того, как диффузия становится преобладающей в более поздние периоды времени.

По словам ученых, закон Фурье правильный, просто он не может объяснить все процессы, которые можно наблюдать во время передачи тепла. Ученые считают, что полупрозрачные материалы излучают тепло внутрь, потому что их структура действует как поглотитель и источник тепла. Это позволяет теплу распространяться от точки к точке, а не медленно рассеиваться.

Авторы исследования считают, что их открытие позволит разработать новые стратегии управления теплом в полупрозрачных материалах. Ведь результаты эксперимента дают более обширное понимание того, как тепло распространяется в твердых телах.

Ирина Скиба / Skibair
Журналист ARDinform