Новые эксперименты ученых из Австрии показали, что кварцевое волокно всего 500 нм в диаметре не подчиняется закону излучения Планка. Вместо этого волокно нагревается и остывает в соответствии с более общей теорией, рассматривающей процесс излучения, как фундаментальное «объемное» явление. Опубликованная работа, как считают исследователи, в будущем может поспособствовать разработке более эффективных ламп накаливания, а также улучшить наше понимание климатических изменений.

Краеугольный камень термодинамики, закон Планка, описывает, как плотность энергии на различных длинах волн электромагнитного спектра «абсолютно черного тела» изменяется, в зависимости от его температуры. Эта теория была формулирована немецким физиком, Максом Планком в начале XX века на основе концепции квантования энергии, которая стала базисом для квантовой механики.

Поскольку «абсолютно черное тело» является абстрактным идеально излучающим и поглощающим объектом, данный закон не дает очень точных прогнозов относительно спектров излучения реальных объектов, имеющих определенные поверхностные свойства, например, цвет, текстуру и т.п., которые должны приниматься во внимание. Еще одно ограничение применимости закона Планка было известно в течение многих десятилетий: он не распространяется на объекты, размеры которых менее длины волны теплового излучения.

В свое время Планк предполагал, что все излучение, порождаемое черным телом, поглощается поверхностью этого тела, из чего следует, что поверхность также является идеальным излучателем. Но, если толщина объекта не достаточна, «входящее» излучение может не поглощаться объектом, а проходить через него, что, в свою очередь, будет снижать собственное излучение черного тела.

Ранее исследователи уже демонстрировали на эксперименте, что объекты, размеры которых менее длины волны теплового излучения, ведут себя совсем не так, как предсказывал Планк. К примеру, в 2009 году сообщалось об аномалиях в излучении углеродных нанотрубок толщиной порядка 100 атомов. Но своеобразную точку в этом вопросе поставила работа, опубликованная недавно на сервере препринтов arXiv. В ней группа ученых из Vienna University of Technology (Австрия) экспериментально продемонстрировала, что

излучение нанообъекта (в их случае – кварцевого волокна длиной 500 нм) совпадает с предсказаниями альтернативной теории. Для получения 500-нанометрового волокна из кварца на практике исследователи просто нагревали и вытягивали обычное оптоволокно. Далее отдельные ультратонкие секции длиной несколько мм нагревались при помощи лазерного луча, при этом второй лазер использовался для измерения скорости нагрева и последующего остывания волокна (при помощи резонанса между двумя зеркалами).

Измерения показали, что

волокно остывает и нагревается гораздо медленнее, чем предсказывает закон Стефана-Больцмана (являющийся следствием закона Планка). В ходе эксперимента было обнаружено, что измеренная скорость очень хорошо соответствует предсказаниям теории, известной как флуктуационная электродинамика и учитывающей не только свойства поверхности тела, но и его объем, а также форму.

Опубликованная работа, помимо научного значения имеет прямой практический смысл. Ученые считают, что

их эксперименты помогут создать более эффективные лампы накаливания.

На данный момент подобные лампы излучают большую часть энергии в инфракрасном диапазоне, при этом исследователи уверены, что их волокно позволило бы «передвинуть» максимум излучения ближе к видимой области. Единственная проблема такого перехода к практическому применению заключается в том, что

стеклянное волокно не практично для применения в быту, т.к. оно является диэлектриком. Для поиска оптимального электропроводящего и легко нагревающегося материала, из которого можно будет изготовить в промышленных масштабах достаточно тонкие и дешевые волокна, потребуются дополнительные исследования.

По мнению научной группы, исследование также поможет лучше понять, как мелкие частицы в атмосфере, к примеру, пыль, возникающая из-за эрозии почв, а также пепел от вулканов, способствуют климатическим изменениям.