Физики сделали шаг, который может изменить представление о том, как ведёт себя тепло в экстремальных условиях. Они подтвердили существование "второго звука" — редкого явления, при котором тепловая энергия распространяется не привычным медленным образом, а в виде волны. Эксперимент со сверхтекучим гелием стал переломным моментом, поскольку дал возможность наблюдать то, что долгое время оставалось лишь теорией.
В обычных условиях тепло передаётся хаотично: молекулы сталкиваются, и энергия постепенно выравнивается. Второй звук — это совсем другой процесс. Тепловая энергия движется упорядоченной волной, которая может сохранять форму на значительном расстоянии, как эхо, отражающееся в каньоне.
"Второй звук больше похож на рябь на воде, чем на медленное затухание тепла", — пояснили исследователи.
Ключом к открытию стал гелий при температуре ниже 2,17 Кельвина. В этом состоянии он становится сверхтекучим — течёт без сопротивления, образуя вихри и поднимаясь по стенкам сосудов. В такой среде физики смогли вызвать и зафиксировать тепловую волну.
Используя резонансную полость и полые микросферы, учёные сумели отделить эту волну от обычного теплового рассеяния. Результат оказался наглядным: вторая звуковая волна в жидком гелии двигалась со скоростью около 15 м/с при температуре 1,6 Кельвина.
| Явление | Механизм | Скорость | Примеры |
|---|---|---|---|
| Теплопроводность | Столкновения молекул | Медленно | Металлы, жидкости |
| Обычный звук | Механические колебания | Сотни м/с | Воздух, вода |
| Второй звук | Волна энтропии | ~15 м/с | Сверхтекучий гелий, графит |
Подтверждение второго звука открывает новые горизонты. Это явление помогает понять природу квантовой турбулентности, когда энергия распределяется через вихри и их взаимодействие. Также оно может стать основой для технологий — от сверхчувствительных датчиков до систем охлаждения квантовых компьютеров.
Создают условия с температурой, близкой к абсолютному нулю.
Используют резонансные полости для генерации волн.
Применяют визуализационные методы (микросферы, лазеры).
Сравнивают экспериментальные данные с квантовыми моделями.
Ошибка: Рассматривать тепло только как диффузионный процесс.
Последствие: Потеря возможности объяснить квантовую турбулентность.
Альтернатива: Учитывать волновую природу тепловых процессов в сверхтекучих системах.
Представьте квантовый компьютер с системой охлаждения, где тепло уходит не медленно, а волной. Это позволит снизить ошибки вычислений. Или датчики, фиксирующие малейшие колебания энергии. Второй звук может стать основой таких решений.
| Плюсы | Минусы |
|---|---|
| Подтверждает теории квантовой механики | Требует экстремально низких температур |
| Даёт новые инструменты для физики | Пока применимо только в лабораториях |
| Перспективы для технологий | Сложность экспериментов и высокая стоимость |
Какой материал используют для наблюдения второго звука?
Чаще всего — сверхтекучий гелий, а также сверхчистый графит.
Сколько длится волна второго звука?
Она может сохраняться достаточно долго, но зависит от температуры и структуры среды.
Что лучше для изучения второго звука — теория или эксперимент?
Только сочетание: теория объясняет природу явления, а эксперимент даёт доказательства.
Миф: Второй звук — это особый вид акустики.
Правда: Это тепловая волна, а не звуковая.
Миф: Его можно услышать.
Правда: Он существует только как колебание энергии.
Миф: Это открытие не имеет практической ценности.
Правда: Оно может повлиять на развитие квантовых технологий.
• Второй звук впервые теоретически предсказали более 70 лет назад.
• Его наблюдали в графите и твёрдом гелии, но теперь он подтверждён в жидком гелии.
• Скорость второго звука в 20 раз ниже акустического, но для тепла это невероятно быстро.
В 1940-х годах впервые появилась теория о тепловых волнах.
В 1970-х второй звук наблюдали в кристаллах.
В 2020-х проведены эксперименты в жидком гелии с визуализацией тепловых волн.
Открытие второго звука демонстрирует, как квантовые явления могут менять привычные законы физики. Эти эксперименты, опубликованные в arXiv, становятся основой для новых направлений исследований и, возможно, будущих технологий.