در آزمایشی تازه نشان داده شده که فیبری از جنسِ سیلیکا (دی‌اکسیدِ سیلیکون) و به عرضِ 500 نانومتر، از قانونِ تابشِ پلانک پیروی نمی‌کند. بنا به گفته‌ی فیزیک‌دانِ اتریشی که این کارِ پژوهشی را انجام داده است، این فیبر مطابق با نظریه‌ای کلی‌تر سرد و گرم می‌شود که در این نظریه، تابشِ گرمایی اساساً پدیده‌ای توده‌ای در نظر گرفته می‌شود. این پژوهش‌گر بر این باور است که این کارِ پژوهشی ممکن است به تولیدِ لامپ‌های رشته‌ایِ پربازده بیانجامد و هم‌چنین فهمِ ما را از آب‌وهوای متغیرِ زمین، بهبود ببخشد.

قانونِ پلانک یکی از سنگ‌های زیربنا در ترمودینامیک است که تابشِ الکترومغناطیسیِ گسیل‌یافته از یک «جسمِ سیاه» را بررسی کرده و توضیح می‌دهد که چگالیِ انرژیِ مربوط به طولِ موج‌های مختلف، چگونه بر اساسِ دمای جسم تغییر می‌کند. این قانون به دستِ فیزیک‌دان آلمانی، ماکس پلانک در ابتدای قرنِ بیستمِ میلادی و با به‌کار بستنِ مفهومِ کوانتیده‌‌بودنِ انرژی، فرمول‌بندی شد. این مفهوم می‌رفت تا به عنوانِ اساسِ نظریه‌ی مکانیکِ کوانتومی ارایه شود. اگرچه جسمِ سیاه مفهومی ایده‌آل است که در آن فرآیندِ درآشامی (جذب) و گسیل به طورِ کامل (بدون هدر دادنِ انرژی) انجام می‌گیرد، اما هرگاه ویژگی‌هایی مانند رنگ و ناهم‌واری‌های سطح را در موردِ اشیای حقیقی (غیرِ ایده‌آل) درنظر بگیریم، این نظریه هم‌چنان پیش‌بینی‌های بسیار دقیقی درباره‌ی بیناب‌های گسیل‌یافته از این اجسام به‌دست می‌دهد.

الکترودینامیک افت‌وخیزی در عمل

با این وجود، دهه‌هاست که فیزیک‌دانان پی‌برده‌اند برای اجسامی با ابعادِ کم‌تر از طولِ موجِ تابشِ گرمایی، این قانون دیگر کارساز نیست. پلانک چنین می‌پنداشت که همه‌ی تابشی که بر یک جسمِ سیاه فرود می‌آید، توسطِ سطحِ آن جسم درآشامیده می‌شود. این فرض به این معناست که این سطح، یک گسیلنده‌ی تام و تمام نیز هست. اما اگر جسم به اندازه‌ی کافی کلفت نباشد، تابشِ فرودی به‌جای‌آن‌که توسطِ جسم درآشامیده شود، از طرفِ دیگرِ جسم نشت کرده و به سهمِ خود، میزانِ گسیل را کاهش می‌دهد.

ناهنجاری‌های بینابی در گذشته نیز موردِ جست‌وجو بوده‌اند

در گذشته گروه‌های پژوهشیِ دیگری نیز نشان داده‌ بودند که رفتارِ اجسامِ مینیاتوری (دارای ابعادِ کوچک) با پیش‌بینی‌های پلانک هم‌خوانی ندارد. به عنوانِ نمونه، Chris Regan و هم‌کارانش در دانش‌گاهِ کالیفرنیا، لس‌آنجلس در سالِ 2009  گزارش کردند که در بینابِ تابشِ گسیل‌شده از یک نانولوله‌ی کربنی به پهنایِ 100 اتم، ناهنجاری‌هایی دیده‌اند.

در این کارِ پژوهشی که تازه‌ترین آزمایش در این زمینه است، Christian Wuttke  و Arno Rauschenbeutel از دانش‌گاهِ صنعتیِ وین، یک گام فراتر رفته و به صورتِ تجربی نشان می‌دهند که تابشِ یک جسمِ بسیار کوچک، با پیش‌بینی‌های نظریه‌ی دیگری هم‌خوانی دارد.

این دو تن برای ساختنِ فیبری به کلفتیِ 500 نانومتر که در آزمایش خود آن را به‌کار گرفته‌اند، یک فیبرِ نوریِ استاندارد را گرم کرده و کشیدند. آن‌ها سپس بخشِ فوقِ نازکِ فیبر را که چند میلی‌متر طول داشت، به کمکِ تاباندنِ پرتوی نورِ لیزر گرم کرده و با به‌کارگیریِ لیزرِ دیگری، نرخِ گرم و سپس سردشدنِ این قطعه را اندازه‌گیری کردند. دو آیینه به فاصله‌ی ثابت از هم، در این مجموعه قرار گرفته بودند که پرتوی لیزرِ دوم، با رفت‌وآمد میانِ این دو آیینه، به طورِ پی‌درپی به حالتِ تشدید درآمده و سپس (از حالتِ تشدید) خارج می‌شد چون تغییرِ دمای قطعه ، ضریبِ بازتابِ آن و بنابراین طولِ موجِ تابشِ گسیل‌یافته از آن را دست‌خوشِ تغییر می‌کرد.

الکترودینامیکِ افت‌وخیزی

پژوهش‌گران با اندازه‌گیریِ فاصله‌ی زمانی میان تشدیدها، دریافتند که فیبر بسیار کندتر از آن‌چه که قانونِ استفان-بولتزمن پیش‌بینی می‌کند، گرم و سرد می‌شود. این قانون، یکی از پیامدهای قانونِ پلانک است و چگونگیِ بستگیِ توانِ تابشیِ کلِ یک جسم به دمای آن را ، تعیین می‌کند. در عوض این پژوهش‌گران دریافتند که نرخِ مشاهده‌شده در این آزمایش، به خوبی با پیش‌بینی‌های نظریه‌ای جور درمی‌آید که با عنوانِ الکترودینامیکِ افت‌وخیزی (fluctuational electrodynamics)، شناخته می‌شود. این نظریه نه تنها ویژگی‌های سطحِ یک جسم را (در محاسبات) وارد می‌کند، بلکه اندازه، شکل و طولِ ویژه‌ی درآشامیِ (characteristic absorption length) آن را نیز در نظر می‌گیرد. Wuttke می‌گوید: «ما نخستین کسانی هستیم که توانِ کلِ تابشی را اندازه‌گیری کرده و به صورتِ عددی نشان دادیم که با پیش‌بینی‌های این مدل هم‌خوانی دارد».

بنابر گفته‌ی Wuttke ، کارِ پژوهشیِ اخیر کاربردهای عملی نیز دارد. وی به عنوانِ نمونه اشاره می‌کند که ممکن است (این نتایج) بازدهِ لامپ‌های رشته‌ایِ کنونی را افزایش دهد. تولیدِ نور توسطِ این لامپ‌ها به این دلیل است که (رشته‌ی درونِ این) لامپ‌ها گرم شده و به دمایی می‌رسد که پیکِ بینابِ گسیلیِ رشته در آن دما، در نزدیکیِ طولِ موجِ نورِ مریی قرار می‌گیرد. با این وجود این لامپ‌ها انرژیِ بسیاری را هدر می‌دهند چون بیش‌ترِ توانِ (گرماییِ) آن‌ها هم‌چنان به صورتِ امواجِ فروسرخ تابش می‌شود. Wuttke با مقایسه‌ی رشته‌ی لامپ‌های کنونی با رشته‌ای به کلفتیِ 500 نانومتر و دارای آنتنی بسیار کوتاه، توضیح می‌دهد که چنین رشته‌هایی کلفتیِ لازم را برای تولید و تابشِ موثرِ امواجِ فروسرخ (که طولِ موجِ آن بیش از 700 نانومتر است)، نخواهند داشت. به این ترتیب، میزانِ تابش در چنین طولِ موج‌هایی (امواجِ فروسرخ) سرکوب شده و در طولِ موج‌های مریی که کوتاه‌ترند، افزایش می‌یابد. با این وجود، وی خاطرنشان می‌کند که فیبرهای شیشه‌ای گرچه برای کارهای آزمایش‌گاهی ایده‌آل هستند، اما برای استفاده‌ی روزمره گزینه‌ی مناسبی به شمار نمی‌آیند چون شیشه ماده‌ای عایق بوده و برای نورِ مریی، محیطی شفاف است. او می‌گوید :«پژوهش‌های بسیاری نیاز است تا ماده‌ای را بیابیم که رساننده‌ی الکتریسیته بوده، به سادگی گرم شود و در عینِ حال بتوان آن را در اندازه‌های به حدِ کافی کوچک و مقادیرِ بسیار تولید کرد».

کاربردهای جوّی

هم‌چنین این کارِ پژوهشی می‌تواند فهمِ ما را در این باره افزایش دهد که چگونه ذراتِ کوچکِ موجود در جو، مانند آن‌هایی که در اثرِ فرسایشِ خاک، اکسید شدن و یا فوران‌های آتش‌فشانی تولید می‌شوند، در دگرگونی‌های آب‌وهوایی دخیل هستند. ممکن است چنین ذراتی با بازتاباندنِ نورِ فرودیِ خورشید، زمین را خنک کنند و یا همانندِ گازهای گل‌خانه‌ای، با درآشامیدنِ تابش‌های گرمایی (گسیل‌شده) از سیاره‌مان، آن را گرم کنند. Wuttke می‌گوید: «زیباییِ نظریه‌ی الکترودینامیکِ افت‌وخیزی در این است که تنها با دانستنِ شکل و نیز (رفتارهای) ویژه‌ی ماده در فرآیندِ درآشامی، می‌توان اصولِ اولیه را به‌کار گرفته و دریافت که ماده‌ی موردِ نظر در چه طولِ موج و با چه میزان بازدهی، تابشِ گرمایی را جذب یا گسیل می‌کند». اما وی اضافه می‌کند که کارِ پژوهشیِ بسیاری موردِ نیاز است تا نتایجِ این آزمایش را بتوان در شرایطِ جویِ حقیقی به‌کار برد.

با این وجود Wuttke  و Rauschenbeutel  درباره‌ی یک موضوع اطمینانِ کامل دارند و آن این‌که پژوهشِ آنان هیچ آسیبی به مکانیکِ کوانتومی وارد نکرده است. درواقع همان‌گونه که Rauschenbeutel توضیح می‌دهد، نظریه‌ی پلانک نظریه‌ای محدودشده است چون چنین فرض می‌کند که گسیل و درآشامی، پدیده‌هایی صرفاً مربوط به سطحِ اجسام بوده و نیز پدیده‌های موجی را حذف می‌کند. به عبارتِ دیگر، اصلِ کوانتشِ انرژی که پلانک آن را بنا نهاد، هم‌چنان پابرجا و معتبر است. وی می‌گوید: «نظریه‌ای که ما آن‌را آزمودیم، از آمارِ کوانتومی بهره می‌گیرد، بنابراین کارِ پژوهشیِ ما نه تنها با مکانیکِ کوانتومی در ستیز نیست، بلکه در واقع، برعکس است (کارِ ما، تاییدی بر مکانیکِ کوانتومی‌ست)».

Regan کارِ پژوهشیِ تازه را «بسیار باریک‌بینانه و زیبا» توصیف کرده و چنین پیش‌بینی می‌کند که: «این کار، جنبه‌های نوینِ ترابری توسطِ تابش‌های گرمایی و قانونِ پلانک در مقیاسِ نانو را به ما خواهد آموخت». با این وجود، وی پیشنهاد می‌کند که اگر مدلِ گسیلندگیِ به‌کاررفته چنان باشد که شفافیتِ فیبرهای اپتیکیِ نازک را نیز (با دیگر پارامترها) درآمیزد، آن‌گاه شاید قانونِ پلانک این فرصت را بیابد که تابشِ گسیل‌یافته از چنین گسیلنده‌های کوچکی را دقیق‌تر توصیف کند.

نوشته شده در یک شنبه 9 مهر 1391برچسب:,ساعت توسط احسان|