Уявіть каструлю з водою, в яку кинули розпечене вугілля. У звичайному світі тепло поступово розходиться від гарячої точки по всьому об’єму. Але в квантовій фізиці є матеріали, які поводяться зовсім інакше. У них тепло не «розтікається», а рухається хвилями — майже як звук. І тепер науковці вперше змогли це побачити на власні очі.
Дослідники з Массачусетського технологічного інституту (MIT) підтвердили існування так званого «другого звуку» та вперше в історії зафіксували його за допомогою спеціальної теплової візуалізації. Результати роботи опубліковані в журналі Science.
Що таке «другий звук»
У звичайних матеріалах тепло поширюється шляхом дифузії — повільно і хаотично. Але в надзвичайно рідкісному стані речовини, який називається надплинністю, усе відбувається інакше. Там тепло може рухатися як впорядкована хвиля, коливаючись туди-сюди, майже не змішуючись із самою речовиною.
Це явище й отримало назву «другий звук». Першим звуком фізики називають звичайні коливання густини — те, що ми чуємо в повсякденному житті. Другий звук — це хвиля температури.
«Уявіть резервуар із водою, де одна половина майже кипить, — пояснює співавтор дослідження, професор MIT Річард Флетчер. — Вода виглядає абсолютно спокійною, але тепло раптом опиняється з іншого боку, потім знову повертається назад. А сама рідина ніби стоїть на місці».
Квантовий холод і надплинність
Експеримент проводили з квантовим газом, охолодженим майже до абсолютного нуля — температури, за якої атоми починають поводитися за законами квантової механіки. У такому стані вони утворюють надплинну рідину без тертя.
Саме в цьому екзотичному середовищі фізики давно передбачали існування другого звуку. Але досі його вдавалося лише непрямо виявляти — за слабкими коливаннями густини. Побачити саму хвилю тепла ніхто не міг.
«Другий звук — це візитна картка надплинності, — каже керівник дослідження Мартін Цвірляйн. — Але раніше ми не могли довести його природу безпосередньо».
Як побачили тепло там, де його майже немає
Головна проблема полягала в тому, що надхолодні об’єкти не випромінюють інфрачервоне тепло, яке зазвичай використовують тепловізори. Тож команда MIT пішла нестандартним шляхом.
Вчені використали радіочастотну «термографію», відстежуючи атоми літію-6. Їхній стан змінюється залежно від температури, а це дозволило виділити навіть мінімальні «тепліші» ділянки та простежити, як вони рухаються хвилею через весь газ.
Навіщо це потрібно
На перший погляд здається, що відкриття має суто академічний інтерес. Але насправді розуміння того, як поводиться тепло в екстремальних умовах, може мати далекосяжні наслідки.
Подібні механізми можуть відігравати роль у фізиці високотемпературних надпровідників, а також у вивченні внутрішньої будови нейтронних зірок — одних із найщільніших об’єктів у Всесвіті.
Хоча надплинні квантові гази поки що не є частиною нашого повсякденного життя, це відкриття ще раз нагадує: природа вміє дивувати, а іноді тепло може поводитися так само химерно, як і сам Всесвіт.