普朗克的輻射傳熱定律失效了

一個多世紀以來，普朗克的輻射傳熱定律始終和現實符合的相當好，但是在一項新的實驗里，我們發現它在最小尺度上失效了。

現在還不清楚這究竟意味著什麼，但在既有理論失效的情況下，新的突破性觀點也就隨之而來。新發現的影響力不僅僅局限在原子尺度下的物理學，從氣候模型到行星形成，過去所有相關的知識或許都需要重新書寫。

由弗吉尼亞州威廉瑪麗和密歇根大學的研究人員進行的實驗，最初的出發點主要是他們想知道，古老的規則是否可以描述納米尺度下物體的熱輻射方式。

結果，定律失去了做出理論預言的能力，實驗結果比預測的數值大100倍，這表明納米級物體能夠以比現有模型更效率地發射和吸收熱量。

「這就是物理學的問題，」威廉瑪麗大學的物理學家Mumtaz Qazilbash說。

「實際測量某些東西很重要，但真正理解現象背後的機制也很重要。」

普朗克是物理學歷史上的偉大人物之一。雖然把量子力學的誕生歸功於某個人會令公眾產生誤解，但他的工作確實發揮了關鍵性的作用。他和受他啟發的波爾以及愛因斯坦，並稱為量子力學三巨頭。

人類很早以前就知道熱的東西會發光。我們也知道，那個光或者說電磁波輻射的顏色和熱源自身的溫度之間存在某種關係。

為了描述這種關係，當時的物理學家試圖從實驗結果中推導出一個公式。結果始終無法找到一個能夠完全描述現有結構的公式，所以普朗克換了一個角度來看待熱輻射。

他將熱量看成是電荷一類的東西，存在著最小的基數，物體每次輻射或吸收的熱量都是那個基數的整數倍——並不是說他真的認為實際發生了這一過程——他只是把它當做數學技巧或描述方式。

這在當時看起來奇怪，但模型大獲成功。離散化的能量引發了數十年關於現實本質的爭論，並且現在被看作是物理學的基礎。

普朗克的輻射傳熱定律描述了在給定溫度下物體輻射熱量的最大頻率。

它非常有效地描述了分離的宏觀對象之間的熱輻射過程。但是，如果我們這些物體挨到極其接近的情況下，那麼它們之間是不是發出單一波長的輻射呢？ 熱量又是如何得來回傳遞？

精通電磁動力學的物理學家已經知道那會發生奇怪的事情，那片區域被稱為「近場」區域。百科指出美國麻省理工學院(MIT)2009年7月30日宣布，該校動力工程學華裔教授陳剛與其團隊的研究，首次打破「黑體輻射定律」的公式，證實物體在極度近距時的熱傳導，可以高到定律公式所預測的一千倍之多。

但這是間隙距離小於輻射波長時發生的情況。熱源本身的大小規模又有什麼樣的限制？

研究人員面臨著巨大的挑戰。他們不得不設計出徑向小於10微米的物體，這一尺度近似紅外線波長。

他們選擇了兩塊僅有半微米厚的氮化硅薄膜，把它們隔開一段距離，使它們很好地處於「遠場」。然後加熱一個並測量另一個，可以相當精確地檢驗普朗克輻射定律。

「定律刻畫兩者之間的能量轉移率。」Qazilbash說，「嗯，我們在實驗中觀察到的是，如果物體非常非常小，實際上的結果比普朗克定律的預測要高出100倍。」

Qazilbash將它比作沿著不同位置拔吉他弦。「在那些地方，它會更有效地和某些波長產生共振。」

類比只是一種方便描述的修辭工具，但發現背後的物理機制可能會產生重大的影響。

這種超高效的能量轉移率可能會改變我們對大氣中傳熱或者行星誕生之初從熔岩到冷卻過程的理解。「無論是在物理學還是其他科學中，它都是重要的發現。」Qazilbash說。

本文譯自 sciencealert，由譯者 majer 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

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