Ιστορική ανακάλυψη στη Φυσική – Επιβεβαιώθηκε η ύπαρξη του «δεύτερου ήχου»
Στον κόσμο των κοινών, καθημερινών υλικών, η θερμότητα έχει την τάση να διαχέεται από μια εντοπισμένη πηγή. Αν ρίξετε ένα αναμμένο κάρβουνο σε μια κατσαρόλα με νερό, η θερμοκρασία του υγρού θα ανέβει αργά, προτού η θερμότητά του τελικά διαχυθεί.
Όμως, ο κόσμος είναι γεμάτος από σπάνια, εξωτικά υλικά που δεν ακολουθούν ακριβώς αυτούς τους θερμικούς κανόνες.
Αντί να εξαπλώνεται όπως θα αναμενόταν, αυτά τα υπερρευστά κβαντικά αέρια κάνουν τη θερμότητα να «παλινδρομεί» από τη μία πλευρά στην άλλη — ουσιαστικά διαδίδεται ως κύμα. Οι επιστήμονες ονομάζουν αυτή τη συμπεριφορά «δεύτερο ήχο» ενός υλικού (με τον πρώτο να είναι ο συνηθισμένος ήχος μέσω ενός κύματος πυκνότητας). Αν και το φαινόμενο αυτό έχει παρατηρηθεί ξανά στο παρελθόν, δεν είχε απεικονιστεί ποτέ.
Πρόσφατα, όμως, επιστήμονες στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης (MIT) κατάφεραν επιτέλους να καταγράψουν αυτή την κίνηση καθαρής θερμότητας, αναπτύσσοντας μια νέα μέθοδο θερμογραφίας (γνωστή και ως χαρτογράφηση θερμότητας).
Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Science, και σε ανακοίνωση του πανεπιστημίου σχετικά με το συγκεκριμένο επίτευγμα, ο επίκουρος καθηγητής του MIT και συν-συγγραφέας Richard Fletcher συνέχισε την αναλογία με την κατσαρόλα που βράζει για να περιγράψει την εγγενή παραδοξότητα του «δεύτερου ήχου» σε αυτά τα εξωτικά υπερρευστά.
Απλοποιημένο παράδειγμα της θερμότητας που «παλινδρομεί» σε ένα υπερρευστό σε σύγκριση με ένα κανονικό ρευστό. Γράφημα: MIT
«Είναι σαν να έχετε μια δεξαμενή νερού και να κάνετε σχεδόν το μισό να βράζει», είπε ο Fletcher. «Αν το παρατηρούσατε, το ίδιο το νερό μπορεί να φαινόταν εντελώς ήρεμο, αλλά ξαφνικά η άλλη πλευρά γίνεται ζεστή, μετά συμβαίνει το ίδιο με την άλλη πλευρά , και η θερμότητα πηγαίνει πέρα δώθε, ενώ το νερό φαίνεται εντελώς ακίνητο».
Αυτά τα υπερρευστά δημιουργούνται όταν ένα νέφος ατόμων υποβάλλεται σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες που προσεγγίζουν το απόλυτο μηδέν (-273,15 °C). Σε αυτή τη σπάνια κατάσταση, τα άτομα συμπεριφέρονται διαφορετικά, καθώς δημιουργούν ένα ρευστό, ουσιαστικά χωρίς τριβές. Είναι σε αυτή την κατάσταση έλλειψης τριβής όπου έχει διατυπωθεί η θεωρία ότι η θερμότητα διαδίδεται σαν κύμα.
Ο δεύτερος ήχος είναι το σήμα κατατεθέν της υπερρευστότητας, αλλά σε υπερ-ψυχρά αέρια μέχρι στιγμής μπορούσε κανείς να τον δει μόνο μέσα από αυτή την αμυδρή αντανάκλαση των κυματισμών πυκνότητας που τον συνοδεύουν, δήλωσε ο επικεφαλής της μελέτης Martin Zwierlein. «Ο χαρακτήρας του θερμικού κύματος δεν είχε καταστεί δυνατό να αποδειχθεί προηγουμένως».
Για να καταγράψουν επιτέλους αυτόν τον δεύτερο ήχο σε δράση, ο Zwierlein και η ομάδα του έπρεπε να σκεφτούν έξω από τα συνηθισμένα θερμικά πλαίσια, καθώς υπάρχει ένα μεγάλο πρόβλημα στην προσπάθεια εντοπισμού της θερμότητας ενός υπερ-ψυχρού αντικειμένου — δεν εκπέμπει τη συνηθισμένη υπέρυθρη ακτινοβολία.
Έτσι, οι επιστήμονες του MIT σχεδίασαν έναν τρόπο να αξιοποιήσουν τις ραδιοσυχνότητες για να παρακολουθήσουν ορισμένα υποατομικά σωματίδια γνωστά ως «φερμιόνια λιθίου-6», τα οποία μπορούν να καταγραφούν μέσω διαφορετικών συχνοτήτων σε σχέση με τη θερμοκρασία τους (δηλαδή, οι θερμότερες θερμοκρασίες σημαίνουν υψηλότερες συχνότητες και το αντίστροφο).
Αυτή η πρωτοποριακή τεχνική επέτρεψε στους ερευνητές να εστιάσουν ουσιαστικά στις «θερμότερες» συχνότητες (που παρ’ όλα αυτά ήταν ακόμα πολύ ψυχρές) και να παρακολουθήσουν το προκύπτον δεύτερο κύμα με την πάροδο του χρόνου. Αυτό ίσως μοιάζει με μια ανακάλυψη χωρίς ιδιαίτερη σημασία.
Εξάλλου, πότε ήταν η τελευταία φορά που ήρθατε σε επαφή με ένα υπερρευστό κβαντικό αέριο; Αν όμως ρωτήσετε έναν επιστήμονα υλικών ή έναν αστρονόμο, θα λάβετε μια εντελώς διαφορετική απάντηση.
Παρόλο που τα εξωτικά υπερρευστά μπορεί να μην κατακλύζουν (ακόμα) τη ζωή μας, η κατανόηση των ιδιοτήτων της κίνησης του δεύτερου κύματος θα μπορούσε να βοηθήσει στην απάντηση ερωτημάτων σχετικά με τους υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας (που, και πάλι, λειτουργούν σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες) ή την περίπλοκη φυσική που βρίσκεται στην καρδιά των αστέρων νετρονίων.