فوتون‌های مجازی؛ سازوکاری جدید برای انتقال انرژی در خلأ

سوختگی براثر حرارت ازجمله تجربیات دردناکی است که انسان از همان سال‌‌های اولیه‌‌ی زندگی خود با آن آشنا می‌‌شود. حرارت به هر طریق که منتقل شود، چه ازطریق تماس مستقیم و چه ازطریق همرفتی و چه ازطریق امواج نامرئی نور، کارکردی نسبتا مشابه دارد. حال دانشمندان از کشف روشی عجیب و تازه‌‌ای سخن می‌‌گویند که حرارت ازطریق آن نیز می‌‌تواند از نقطه‌ای به نقطه‌‌ی دیگر منتقل شود. آن‌‌ها می‌‌گویند حرارت می‌‌تواند به‌‌لطف برخی از ویژگی‌‌های عجیب دنیای مکانیک کوانتوم نیز در فضای خالی جابه‌جا شود. به‌‌ زبان ساده، حرارت شکلی از انرژی است که از افزایش جنبش ذرات ماده ناشی می‌‌شود و هرچه سرعت این جنبش بیشتر باشد، جسم نیز گرم‌‌تر به‌‌نظر می‌‌رسد.

اگر بخواهیم مسئله را در ابعاد کیهانی بررسی کنیم، بیشترین میزان انتقال حرارت در فضای خلأ ازطریق حرکت فوتون‌‌ها (یعنی اجزای سازنده‌‌‌‌ی نور) میسر می‌‌شود. فوتون‌‌ها انرژی ستارگانی نظیر خورشید را در مسافت‌‌هایی چندین‌میلیون کیلومتری، به زمین و سایر سیارات و اجرام آسمانی می‌‌رسانند؛ اما اینجا روی زمین حرارت به‌‌شکل ملموس‌تری میان اجسام منتقل می‌‌شود. این انتقال انرژی معمولا ازطریق تماس مستقیم و با کمک ارتعاشات تجمعی موج‌‌گونه‌‌ای از اتم‌‌ها صورت می‌‌گیرد که با نام فونون‌‌ها (کوانتوم‌‌های انرژی) شناخته می‌‌شوند.

تا مدت‌‌ها تصور می‌‌شد فونون‌‌ها نمی‌توانند گرما را در خلأ منتقل کنند. این یعنی باید دو جسم در تماس مستقیم با یکدیگر یا دست‌کم در تماس غیرمستقیم باواسطه‌‌ای مانند هوا باشند. این همان سازکاری است که در کارکرد تجهیزاتی مانند فلاسک به‌‌کار گرفته می‌شود تا بتوانیم مایعات و خوردنی‌‌های دیگر را سرد یا گرم نگاه داریم. فلاسک با دو جداره که هوای میان آن‌‌ها وکیوم شده است، جلو انتقال حرارت میان فضای داخلی و خارجی را می‌‌گیرد.

تاکنون دانشمندان درباره‌ی امکان انتقال حرارت در فضای خالی ازطریق فونون‌‌ها مردد بودند؛ اما حقایق عجیب دنیای کوانتوم به ما می‌‌گفت آنچه عملا آن را فضای خالی می‌‌پنداریم، شاید آن‌‌قدرها هم «خالی» نباشد.

چند دهه‌‌ی پیش دانشمندان دریافتند ذرات مجازی نه‌‌تنها احتمالی نظری به‌‌شمار نمی‌آیند؛ بلکه توانایی تولید نیروهای سنجش‌پذیر را نیز دارند. برای مثال، می‌‌توان به اثر کاسیمیر اشاره کرد که نوعی نیروی ربایشی میان اجسام در مجاورت یکدیگر محسوب می‌‌شود؛ مانند دو قطعه آینه‌‌ای که در خلأ نزدیک یکدیگر قرار گرفته باشند. دلیل حرکت این دو سطح بازتاب‌‌کننده نیروهای ناشی از فوتون‌‌هایی مجازی است که به‌‌صورت لحظه‌‌ای پدیدار و ناپدید می‌‌شوند. نظریه‌‌پردازان بر این باور هستند اگر این نوسانات کوانتومی زودگذر می‌‌توانند نیروهایی واقعی ایجاد کنند؛ پس شاید بتوانند کارهای دیگری نیز انجام دهند؛ مثلا شاید بتوانند حرارت را نیز بدون تشعشع گرمایی در فضا منتقل کنند.

انتقال حرارت در خلأ با کمک ارتعاشات کوانتومی

برای آنکه بهتر بتوانید درک کنید چگونه فونون‌‌ها ازطریق نوسانات کوانتومی می‌توانند گرما را منتقل کنند، فرض کنید دو جسم با دماهای متفاوت دراختیار دارید که ازطریق خلأ از یکدیگر جدا شده‌‌اند. فونون‌‌ها درون جسم گرم‌‌تر می‌‌توانند انرژی خود را به فوتون‌‌های مجازی درون خلأ منتقل کنند و آن فونون‌ها نیز به‌‌نوبه‌‌ی خود این انرژی را به جسم‌‌سردتر منتقل می‌‌کنند. اگر هر دو جسم یادشده را به‌‌عنوان مجموعه‌‌ای از اتم‌‌های در حال لرزش در نظر بگیریم، ذرات مجازی می‌‌توانند در نقش فنرهایی ظاهر شوند که ارتعاشات را از ذره‌ای به ذره‌‌ی دیگر منتقل کنند.

تقریبا یک دهه است که نظریه‌‌پردازان با این پرسش مواجه هستند: آیا نوسانات کوانتومی واقعا می‌‌توانند در انتقال حرارت ازطریق فونون‌‌ها مؤثر باشند یا خیر؟ جان پندری، فیزیک‌دان کالج سلطنتی لندن، می‌‌گوید با درنظرگرفتن تخمین‌های گوناگون درباره‌ی قدرت این اثر، انجام چنین محاسباتی بسیار پیچیده‌ است. درمجموع، تحقیقات قبلی پیش‌‌بینی می‌‌کرد پژوهشگران فقط زمانی می‌‌توانند این اثر را ببینند که اجسام فاصله‌‌ای به‌‌اندازه‌‌ی چند نانومتر یا کمتر داشته باشند. پندری می‌‌افزاید در چنین فواصل اندکی، تعاملات الکتریکی و سایر پدیده‌‌های نانومقیاس می‌توانند به‌‌راحتی اثرهای فونونی را تحت‌شعاع قرار دهند و شرایط را برای انجام آزمایش بسیار دشوار کند.

ژانگ و همکارانش متوجه شدند اگر هر دو ورقه از ابعادی یکسان، ولی دماهایی متفاوت برخوردار باشند، در فرکانس‌های متفاوتی دچار ارتعاش خواهند شد. با درنظرگرفتن تمامی این موارد، دانشمندان به‌گونه‌ای اندازه‌ی ورقه‌ها را تغییر دادند که با وجود برخورداری از دماهای اولیه‌ی متفاوت (۱۳/۸۵ و ۳۹/۳۵ درحه‌ی سانتی‌گراد)، درنهایت هر دو به فرکانسی ثابت ۱۹۱،۶۰۰ بار در ثانیه به ارتعاش درآیند. رزونانس دو شیء با فرکانس یکسان موجب می‌شود تبادل انرژی میان آن دو بهینه شود. نمونه‌ای از پدیده‌ی رزونانس را می‌‌توان هنگام نواختن نت‌های اپرا دید که درصورت اجرای صحیح، موجب رزونانس و حتی شکستن لیوان‌های شیشه‌ای می‌شود.

به‌علاوه، پژوهشگران مطمئن شدند ورقه‌ها به‌صورت موازی با فاصله‌ای در حد چند نانومتر واقع شده‌اند. بدین‌ترتیب، توانستند میزان دقیق نیروهای اعمال‌شده از هریک را روی دیگری اندازه‌گیری کنند. همچنین، سطوح ورقه‌ها باید کاملا هموار می‌بود؛ به‌گونه‌ای که اختلاف ناهمواری‌های دیده‌شده بیش از ۱/۵ نانومتر نباشد. ورقه‌ها در محفظه‌ی خلأ ثابت نگاه داشته شدند؛ درحالی‌که یکی از ورقه‌ها به منبع گرمایشی و ورق دیگر به منبع سرمایشی متصل شد. این ورقه‌ها با لایه‌ای نازکی از طلا پوشانده می‌شدند و اشعه‌های ضعیف لیزر آن‌ها را جاروب می‌کردند تا هرگونه ارتعاش و تغییر دمایی در آن‌ها رصد شود. در هریک از مراحل آزمایش، دانشمندان به‌دقت مراقب بودند ورقه‌ها با سطوح نگه‌دارنده یا هرگونه نور مرئی یا دیگر امواج الکترومغناطیسی درون خلأ تبادل گرمایی نداشته باشند. ژانگ توضیح می‌دهد:

این آزمایش نیازمند کنترل بسیار دقیق دما و فاصله و هم‌ترازی بود. یک‌بار هنگام آزمایش در فصل تابستان، به‌دلیل گرمای هوای محیط آزمایشگاه با مشکل مواجه شدیم. همچنین، برای آنکه نویز را حذف کنیم، زمان زیادی صرف کردیم. برای به‌دست‌آوردن هر نقطه‌داده، چهار ساعت زمان لازم بود.

گرمای ستارگان نیز می‌تواند ازطریق این سازوکار تازه‌کشف‌شده به سیارات اطراف برسد.

بد نیست بدانید برای انتقال میزان انرژی موجود در هر فوتون از نور مرئی با این نرخ تبادل، حدود ۵۰ ثانیه زمان لازم است. این مقدار شاید بسیار ناچیز به‌نظر برسد؛ ولی ژانگ اشاره می‌کند که همین نتایج خود گواه آن است که سازوکاری کاملا جدید برای انتقال حرارت میان دو جسم کشف شده است. پندری می‌گوید:

مشاهده‌ی داده‌های تجربی مبنی‌بر انتقال فونو‌ن‌ها امیدبخش است. به‌باور من، این آزمایشی عالی و اولین در نوع خود به‌شمار می‌آید.

ژانگ توضیح می‌دهد دراصل، شاید بتوان گفت گرمای ستارگان نیز می‌تواند ازطریق این سازوکار تازه‌کشف‌شده به سیارات اطراف برسد. با‌این‌حال، با درنظرگرفتن فواصل کیهانی، اندازه‌ی این اثر به‌شدت اندک و به‌عبارتی «مطلقا بی‌اهمیت» خواهد بود.

بااین‌همه، چنین دانشی در کدام حوزه از علم کاربرد خواهد داشت؟ در دنیای فیزیک کاربردی شاهد آن هستیم که تجهیزات الکترونیکی از گوشی‌های هوشمند گرفته تا لپ‌تاپ‌ها مدام در حال کوچک‌ترشدن هستند. یافته‌های پژوهش تازه به مهندسان کمک خواهد کرد بهتر بتوانند مسئله‌ی دفع حرارت را در مقیاس‌های نانومتری کنترل کنند. ژانگ می‌گوید:

به‌عنوان مثال، در هارددرایوها می‌بینیم هد مغناطیسی مخصوص خواندن و نوشتن دستگاه با فاصله‌ای در حدود سه نانومتر روی دیسک حرکت می‌کند. در چنین فاصله‌ی اندکی، انتظار می‌رود اثر انتقال حرارتی جدید بتواند نقش مهمی ایفا کند؛ از‌این‌رو، باید آن را در طراحی تجهیزات ضبط معناطیسی مدنظر قرار داد.

ژانگ خاطرنشان می‌کند نوسانات کوانتومی فقط به فوتون‌های مجازی محدود نمی‌شوند و تعداد زیادی از انواع دیگر ذرات مجازی نظیر گراویتون‌های مجازی (بسته‌های انرژی گرانشی) وجود دارند. ژانگ در خاتمه می‌افزاید:

یکی از پرسش‌های بی‌جواب و هیجان‌انگیز این است: ممکن است نوسانات کوانتومی میدان‌های مغناطیسی بتوانند به ایجاد سازوکار انتقال حرارتی در مقیاس کیهانی منجر شوند یا خیر؟