Μια σημαντική ανακάλυψη στον χώρο της σύγχρονης Φυσικής ανακοίνωσαν επιστήμονες του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Μασαχουσέτης (MIT), οι οποίοι κατάφεραν για πρώτη φορά να απεικονίσουν άμεσα το φαινόμενο του λεγόμενου «δεύτερου ήχου», έναν εξωτικό τρόπο διάδοσης της θερμότητας που αμφισβητεί την κλασική μας αντίληψη για τη θερμική ροή.
Στα περισσότερα γνωστά υλικά, η θερμότητα διαχέεται σταδιακά από το θερμό προς το ψυχρό περιβάλλον. Ωστόσο, σε ορισμένα εξαιρετικά σπάνια υλικά, γνωστά ως υπερρευστά κβαντικά αέρια, η θερμότητα δεν εξαπλώνεται με τον συνηθισμένο τρόπο. Αντίθετα, κινείται παλινδρομικά, διαδίδεται ως κύμα, ένα φαινόμενο που οι φυσικοί αποκαλούν «δεύτερο ήχο», σε αντιδιαστολή με τον κοινό ήχο που μεταφέρεται μέσω μεταβολών της πυκνότητας.
Αν και η ύπαρξη του δεύτερου ήχου είχε προβλεφθεί θεωρητικά και είχε ανιχνευθεί έμμεσα στο παρελθόν, δεν είχε ποτέ μέχρι σήμερα καταγραφεί οπτικά. Αυτό το επιστημονικό κενό έρχεται πλέον να καλύψει η ομάδα του MIT, αξιοποιώντας μια νέα, πρωτοποριακή μέθοδο θερμογραφίας, δηλαδή χαρτογράφησης της θερμότητας.
Τα αποτελέσματα της έρευνας δημοσιεύθηκαν στο κορυφαίο επιστημονικό περιοδικό Science. Όπως εξηγεί ο επίκουρος καθηγητής του MIT και συγγραφέας της μελέτης Richard Fletcher, το φαινόμενο μοιάζει παράδοξο: «Είναι σαν να έχεις μια δεξαμενή νερού όπου η μία πλευρά αρχίζει να θερμαίνεται, μετά η άλλη, και η θερμότητα να πηγαίνει μπρος-πίσω, ενώ το ίδιο το νερό φαίνεται εντελώς ακίνητο».
Τα υπερρευστά στα οποία παρατηρήθηκε το φαινόμενο δημιουργούνται όταν νέφη ατόμων ψύχονται σε θερμοκρασίες που προσεγγίζουν το απόλυτο μηδέν (-273,15 °C). Σε αυτές τις ακραίες συνθήκες, τα άτομα χάνουν σχεδόν πλήρως την τριβή μεταξύ τους και σχηματίζουν ένα ρευστό με εντελώς διαφορετικές φυσικές ιδιότητες, μέσα στο οποίο η θερμότητα μπορεί να συμπεριφέρεται σαν κύμα.
Όπως σημειώνει ο επικεφαλής της έρευνας, καθηγητής Martin Zwierlein, μέχρι σήμερα ο δεύτερος ήχος στα υπερ-ψυχρά αέρια μπορούσε να εντοπιστεί μόνο έμμεσα, μέσω ανεπαίσθητων κυματισμών στην πυκνότητα του υλικού. «Ο καθαρά θερμικός χαρακτήρας του κύματος δεν είχε ποτέ αποδειχθεί πειραματικά», επισημαίνει.
Για να ξεπεράσουν το βασικό τεχνικό εμπόδιο, το γεγονός ότι τα υπερ-ψυχρά αντικείμενα δεν εκπέμπουν ανιχνεύσιμη υπέρυθρη ακτινοβολία, οι επιστήμονες ανέπτυξαν μια καινοτόμο τεχνική βασισμένη σε ραδιοσυχνότητες. Παρακολούθησαν τη συμπεριφορά φερμιονίων λιθίου-6, υποατομικών σωματιδίων των οποίων η συχνότητα εκπομπής μεταβάλλεται ανάλογα με τη θερμοκρασία. Με αυτόν τον τρόπο, μπόρεσαν να «χαρτογραφήσουν» την κίνηση της θερμότητας σε πραγματικό χρόνο.
Αν και το φαινόμενο μπορεί να φαίνεται απομακρυσμένο από την καθημερινή εμπειρία, οι επιπτώσεις του είναι ιδιαίτερα σημαντικές. Η κατανόηση του δεύτερου ήχου θα μπορούσε να ρίξει φως στη λειτουργία των υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας, αλλά και σε ακραία αστροφυσικά περιβάλλοντα, όπως το εσωτερικό των αστέρων νετρονίων.
Πρόκειται, όπως επισημαίνουν οι ερευνητές, για ένα θεμελιώδες βήμα στην κατανόηση της θερμότητας σε κβαντικά συστήματα, ένα βήμα που μπορεί να ανοίξει νέους δρόμους τόσο στη βασική έρευνα όσο και στις μελλοντικές τεχνολογικές εφαρμογές.
Ακολουθήστε μας και στο Google news