در زندگی روزمره، وقتی نقطه‌ای از مایعی گرم می‌شود، گرما به سرعت در آن پخش می‌شود تا زمانی که دمای همه‌جا یکسان شود. اما محققان مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) کشف کرده‌اند که گرما می‌تواند به شیوه‌ای متفاوت، یعنی به صورت موجی و نه انتشار معمول، حرکت کند. این پدیده «صدای دوم» نام دارد و در گازهای کوانتومی فوق‌سیال دیده می‌شود.
آشنایی با «صدای دوم»
تعریف صدای دوم
«صدای دوم» پدیده‌ای عجیب و شگفت‌انگیز است که در آن گرما نه از طریق انتشار عادی بلکه به صورت موجی حرکت می‌کند. برخلاف حالت‌های معمول که گرما به آرامی پخش و ناپدید می‌شود، در این حالت انرژی حرارتی همانند امواج صوتی در هوا حرکت می‌کند.
شرایط وقوع پدیده
این پدیده در شرایط بسیار سرد یا در سیستم‌های فوق منظم مانند برخی بلورها و مایعات کوانتومی دیده می‌شود. در این محیط‌ها، گرما همانند موجی روی سطح آب، به صورت پالس‌هایی حرکت می‌کند. به‌بیان‌دیگر، انگار گرما به زبانی صحبت می‌کند که به‌ندرت آن را می‌شنویم.
نقش اغتشاشات کوانتومی
تعامل بین فازهای مختلف سیال
در محیط‌های فوق‌سیال، زمانی که بخش‌های عادی و فوق‌سیال به صورت مشترک در مقیاس بزرگ حرکت می‌کنند، اما در مقیاس‌های کوچک‌تر از هم جدا می‌شوند، پدیده‌ای به نام «آشفتگی کوانتومی» شکل می‌گیرد. این تعامل می‌تواند مسیرهای جدیدی برای انتقال گرما ایجاد کند.
ویژگی‌های فوق‌سیالات
تعریف فوق‌سیال
فوق‌سیال، مایعی خاص است که بدون ویسکوزیته (چسبندگی) حرکت می‌کند. این رفتار در هلیوم-۴ در دماهای کمتر از -۲۷۱ درجه سلسیوس بروز می‌یابد.
انتقال گرما در فوق‌سیالات
با وجود عدم ویسکوزیته، اصطکاک بین بخش‌های فوق‌سیال و معمولی می‌تواند باعث شکل‌گیری ساختارهای گردابی شود. همین اصطکاک است که اجازه می‌دهد پالس‌های حرارتی یا همان صدای دوم درون سیال حرکت کند.
ارتباط صدای دوم با فناوری‌های نوین
بررسی در ابررساناها
دانشمندان در تلاش‌اند تا از صدای دوم برای درک بهتر انتقال گرما در ابررساناهایی استفاده کنند که جریان برق را با حداقل اتلاف انرژی حمل می‌کنند.
کاربرد در ستاره‌های نوترونی
ستاره‌های نوترونی که از چگال‌ترین اجرام در کیهان هستند، ممکن است دارای مایعات کوانتومی در درون خود باشند که گرما را به سبک صدای دوم انتقال دهند.
چرا صدای دوم اهمیت دارد؟
ارتقای درک از جریان انرژی
مطالعه صدای دوم می‌تواند درک دقیق‌تری از چگونگی جریان انرژی فراهم آورد. این دانش می‌تواند به ساخت حسگرهای حساس‌تر، سامانه‌های خنک‌کننده کارآمدتر، و فناوری‌های مبتنی بر اثرات کوانتومی کمک کند.
مشاهدات آزمایشگاهی
تیم MIT با استفاده از روش‌های تصویربرداری جدید، پالس‌های گرمایی را درون سیال مشاهده کرد و توانست حرکت موجی گرما را از انتشار معمول آن جدا کند. سرعت این موج در هلیوم در دمای ۱٫۶ کلوین حدود ۱۵ متر بر ثانیه گزارش شده است.
ابزارهای کوانتومی برای اندازه‌گیری صدای دوم
روش آزمایش
برای اندازه‌گیری دقیق صدای دوم، از محفظه تشدید پر از هلیوم فوق‌سیال استفاده شد که امکان ایجاد و مشاهده امواج ایستاده دما را فراهم کرد.
ردیابی ذرات
محققان از میکروکره‌های شیشه‌ای توخالی برای ردیابی حرکت ذرات استفاده کردند که تأثیر پالس‌های حرارتی را بدون اختلال در سیگنال صدای دوم نشان دادند.
بینش‌هایی از آشفتگی کوانتومی
نقش خطوط گردابی
مطالعات گذشته صدای دوم را با تمرکز بر خطوط گردابی – هسته‌های چرخان کوچک در فوق‌سیال – توضیح داده‌اند. تحقیقات جدید نشان می‌دهد که این خطوط فاصله‌ای مشخص را تعیین می‌کنند که در آن حرکت موجی گرما غالب می‌شود.
ساختار گردابی و انتقال گرما
نتیجه جالب این است که اصطکاک به‌تنهایی عامل تعیین‌کننده نحوه حرکت گرما نیست، بلکه ساختارهای چرخشی و جریان‌های بزرگ‌مقیاس تعیین می‌کنند که چه زمانی گرما از حالت انتشار عادی به حرکت موجی تبدیل می‌شود.
پایداری رفتاری نسبت به دما
کشف غیرمنتظره
یکی از یافته‌های شگفت‌آور این بود که رفتار صدای دوم در دماهای مختلف تقریباً ثابت باقی می‌ماند. انتظار می‌رفت اصطکاک بین اجزای سیال با تغییر دما بیشتر تغییر کند، اما مشاهدات نشان داد که این وابستگی بسیار اندک است.
تأثیر ساختار درونی سیال
این نتیجه نشان می‌دهد که ساختار آشفتگی داخلی سیال نقش مهم‌تری از آنچه پیش‌تر تصور می‌شد در انتقال گرما ایفا می‌کند و دیدگاه‌های تازه‌ای را در زمینه اتلاف انرژی در سیالات کوانتومی ارائه می‌دهد.
آینده صدای دوم و فناوری‌های مرتبط
فرصت‌های نوین
اگر بتوان صدای دوم را با ویژگی‌های ابررساناها پیوند داد، شاید بتوان خطوط انتقال انرژی نسل آینده را بهبود بخشید. برخی نیز به کاربردهای سرمایش موج‌محور در آزمایشگاه‌ها فکر می‌کنند.
کاربرد در کیهان‌شناسی
در مقیاس‌های کیهانی، ردیابی ویژگی‌های فوق‌سیال درون ستاره‌های نوترونی ممکن است سرنخ‌هایی درباره نحوه از دست دادن انرژی این ستاره‌ها ارائه دهد.
نتیجه‌گیری
با اینکه در دنیای عادی گرما به مرور ناپدید می‌شود، پدیده صدای دوم این قانون را زیر سوال می‌برد. اکنون دانشمندان در حال بررسی این هستند که آیا پالس‌های دمایی می‌توانند باعث کشفیات جدید در فیزیک کوانتومی و حتی در ساختارهای کیهانی شوند یا نه.
این مطالعه در پایگاه داده arXiv منتشر شده است.
