Vo svete, v ktorom je bežné, že teplo sa šíri pomaly a rovnomerne, vedci urobili objav, ktorý tento jav môže prevrátiť naruby. V laboratóriách Massachusettského technologického inštitútu (skr. MIT) sa podarilo vizualizovať fascinujúci jav známy ako druhý zvuk. Ide o stav, v ktorom sa teplo nešíri difúziou, ale ako vlna. Tento výnimočný fenomén otvára dvere k novému pohľadu na to, ako energia prechádza extrémne chladnými a kvantovo zvláštnymi prostrediami.
Teplo ako ozvena
Za normálnych okolností sa teplo v materiáloch šíri cez pomalé pohyby častíc. Postupne sa rozlieva a nakoniec sa ustáli v rovnomernej teplote. Ale v niektorých extrémnych stavoch hmoty, napríklad v supertekutinách alebo ultrachladných kvantových plynoch, sa deje niečo zvláštne. Teplo sa začne správať ako zvuk. Pulzuje a odráža sa, ako keby ste hodili kameň do jazera.
Tento jav, známy ako druhý zvuk, bol prvýkrát teoreticky popísaný ešte v roku 1938 maďarským fyzikom László Tiszom. Jeho existenciu však až doteraz nebolo možné priamo vizualizovať, pretože technológie, ktoré by to dokázali jednoducho neexistovali. To sa zmenilo až teraz, vďaka kombinácii kvantových techník, superchladených atómov lítia-6 a nových zobrazovacích metód.
Supertekutina: kvapalina, ktorá tečie bez odporu
Kľúčom k pozorovaniu druhého zvuku je takzvaný supertekutý stav. Ide o extrémne chladný kvantový stav hmoty, v ktorom častice (v tomto prípade fermióny), ako sú elektróny alebo atómy lítia. Tvoria páry a pohybujú sa bez trenia. V takomto prostredí klasické pravidlá prestávajú platiť a teplo sa začne šíriť inak. Nie rozptylom, ale vo forme vĺn, ktoré sa odrážajú od okrajov nádoby ako zvukové vlny.
Vedci z MIT pomocou precízne naladených rádiofrekvencií identifikovali teplejšie atómy podľa ich rezonančnej frekvencie. Čím boli atómy teplejšie, tým vyššiu frekvenciu „zvonili.“ Týmto spôsobom mohli vedci v reálnom čase sledovať, ako sa teplo v kvapaline „prelieva“ z jednej strany na druhú, zatiaľ čo samotná kvapalina vyzerala byť úplne pokojná.
Kvantový chlad, ktorý hovorí o hviezdach
Tento objav nie je len akademickou kuriozitou. Správanie druhého zvuku môže vedcom pomôcť pochopiť javy v extrémnych podmienkach, ako sú vysokoteplotné supravodiče alebo dokonca neutronové hviezdy. Objekty také husté, že lyžička ich materiálu by vážila miliardy ton. Ak sa ukáže, že aj v týchto extrémnych prostrediach dochádza k podobnému šíreniu tepla ako v laboratórnych supertekutinách, vedci by mohli získať úplne nový nástroj na ich štúdium.
Navyše, pochopenie tepelného prenosu vo forme vĺn by mohlo zefektívniť technológie od chladenia kvantových počítačov až po energetické systémy budúcnosti, kde by sa tepelná energia nešírila stratovo, ale kontrolovane ako vlna.
Prečo to nie je len zvláštnosť?
Jedným z najprekvapivejších zistení bolo, že druhý zvuk je takmer nezávislý od teploty. Očakávalo sa, že trenie medzi normálnou a supertekutou zložkou bude so zvyšujúcou sa teplotou narastať, no výsledky ukázali, že vplyv je minimálny. To naznačuje, že dominantnú úlohu hrá skôr štruktúra turbulencie vnútri kvapaliny než samotná viskozita.
Vedci tiež poukázali na to, že druhý zvuk sa nestráca okamžite. Aj keď nakoniec vyprchá, prejde dostatočne dlhú vzdialenosť na to, aby potvrdil svoju prítomnosť a poskytol cenné údaje o stave systému.
Vlny, ktoré môžu zmeniť svet
Možno sa to zdá ako poetická predstava. Teplo, ktoré sa správa ako zvuk. Ale v skutočnosti ide o prielom, ktorý mení spôsob, akým vedci premýšľajú o prenose energie v extrémnych podmienkach. Tento „kvantový šepot“ supertekutín možno raz pomôže nielen pochopiť vzdialené hviezdy, ale aj vybudovať technológie budúcnosti tu na Zemi.
Druhý zvuk je dôkazom, že aj najzákladnejšie fyzikálne javy, ako je šírenie tepla, môžu mať celkom nové podoby. Stačí len vedieť, kde a ako sa na ne pozrieť.