Det skjulte inferno inde i din laserpeger

Hvis du troede, at et børneværelse, en norsk nobelpristager og en laserpeger havde intet tilfælles, to UA -fysikere er ved at oplyse dig.

Det er svært at tro, men efter at have opklaret mange af de love, der får universet til at krydse, fysikere har stadig ikke nået til enighed om, hvorvidt noget så tilsyneladende simpelt som "varmt" eller "koldt" kan måles i et system under visse omstændigheder.

"Forestil dig, at du kastede et isbjerg i solen og lige før det smeltede og forsvandt, du ville vide, 'Hvor varmt er det isbjerg i det øjeblik?' Ville det være et meningsfuldt spørgsmål at stille? "Siger Charles Stafford, en professor i Institut for Fysik i UA's College of Science. "Ifølge traditionel fysik, det ville ikke være. "

Kort sagt, traditionel viden mener, at egenskaber som temperatur eller spænding kun kan måles, så længe et system er i ligevægt. (Tip:et isbjerg, der styrter ned i solen, er ikke.)

"Temperatur og spænding er to grundlæggende variabler udviklet i det 19. århundrede, "Stafford siger, "så det kan komme som et chok, at sådanne grundlæggende forestillinger indtil nu har manglet en matematisk streng definition bortset fra ligevægt, en idealiseret sag, der faktisk ikke forekommer i naturen, bortset fra måske den 'varmedød', der forudsiges at markere enden på universet. "

Sammen med doktorand Abhay Shastry, den første forfatter til undersøgelsen, Stafford brugte matematisk modellering til at udforske denne gåde. De offentliggjorde deres resultater for nylig i tidsskriftet Fysisk gennemgang B . Deres manuskript viser, at disse to størrelser er så tæt forbundet, at det er umuligt at kende den ene uden at kende den anden.

"Vi har vist, at faktisk enhver tilstand i et system overhovedet, endda langt fra ligevægt, kan karakteriseres ved en temperatur, "Siger Stafford.

Det er her, børnenes værelse spiller ind. (Vi kommer til Nobelpristagerne og laserpointer om lidt.)

Alt i universet - fra kvarker til galakser - har en iboende tendens til at opnå ligevægt med sine omgivelser og gå mod den størst mulige grad af uorden. I virkeligheden, dette fænomen, kaldet entropi og beskrevet i termodynamikkens anden lov, er lidt mere kompliceret, men lad os nu ikke bekymre os om det. Trods alt, vi ved det intuitivt:Hæld en isterning i en drink og lad den være i fred et stykke tid; snart, vandmolekylerne i isterningen har forladt deres højtordnede krystalstruktur og slået sig ned i en hyggelig ligevægt, gladeligt blander sig med deres uorden, vandige brødre. Det samme gælder tingene i børneværelset:Lad tingene være i fred et stykke tid uden at rydde op - du får ideen.

Det isbjerg, der er ved at fordampe, da vi kastede det i solen tidligere, illustrerer et system, der er meget, meget langt fra ligevægt, men lad os se på et mere dagligdags eksempel:en almindelig laserpeger. Når du trykker på knappen for at aktivere det røde lyspunkt, er din kat så vild med, et inferno bryder løs inde i den lille enhed.

"Når de laser, elektronerne inde i enheden bliver varmere end en temperatur, vi kalder 'plus uendelig, '"Siger Shastry." Hvis du opvarmede en gryde med vand, uanset hvor varmt, selvom du fordampede den ved en million grader, det ville stadig ikke være så varmt som elektronerne i laseren. "

Nu, det er vigtigt at påpege, at vi taler om kvantefænomener her - i dette tilfælde elektrontemperaturen, som ikke har noget at gøre med laserlysets temperatur og er årsagen til at din laserpeger ikke fordamper øjeblikkeligt i din hånd efter aktivering.

Alligevel, hvis du på en eller anden måde kunne røre elektronerne i din laser, det ville føles meget, meget varm, Shastry forklarer.

Pointen, ifølge de to fysikere, er, at når en laser lases, det er meget langt fra ligevægt, meget mere end, sige, vejrfænomener. I modsætning til vejret, som i høj grad drives af termiske forskelle, systemer som halvledere og elektroniske enheder drives elektrisk, som kan skubbe deres komponenter - i dette tilfælde, elektroner - meget længere fra ligevægt end varme.

Under den nuværende opfattelse, fysikere ville sige, at måling af temperaturen i en sådan enhed, der er langt fra ligevægt, ikke kan gøres. Staffords og Shastrys resultater siger:Ja, det kan lade sig gøre, men det fremkalder et andet spørgsmål:Hvorfor vil man gerne?

"Den nuværende mikroelektronik -teknologi er begrænset af, at enhederne spreder meget varme, og de bliver mindre og mindre, "Siger Stafford." Når de bliver mindre, de spreder mere varme, så dette skaber et stort problem for at fremme teknologien.

"Fordi vi viser, at det er muligt at definere temperaturer og spændinger selv i den subatomære skala, og definere det grundigt, man kunne håbe at lave enheder, der er integreret på en sådan måde, at man kunne have lokal afkøling af kun ét sted på enheden, hvor den ene transistor sidder, der bliver virkelig varm, i stedet for at køle hele chippen. I øjeblikket, der er ingen måde at gøre sådan noget. "

Stafford og Shastry undersøger i øjeblikket et muligt samarbejde med Pramod Reddy, en kollega ved University of Michigan, hvis laboratorium har sat rekorden i at skabe et termometer, der er i stand til at måle temperaturen på tværs af et par atomer, at udsætte deres resultater for eksperimentel undersøgelse.

Et andet eksempel, som værket kan gælde for, er nuklear magnetisk resonans, en teknologi, der rutinemæssigt bruges til medicinsk billeddannelse.

"En person, der har oplevet, at det måske ikke var klar over, at atomkernerne i deres krop blev sat i en tilstand af absolut negativ temperatur, som er varmere end noget andet i universet, men det er tilfældet, "Siger Stafford.

"Vores teori er meget generel. Den gælder for mange ting, fra kvark-gluonplasma genereret i partikelacceleratorer til laserpointer til neutronstjerner, "Shastry siger." De følger alle nøjagtig den samme formalisme. "

Som et biprodukt af denne forskning, Shastry og Stafford giver det første bevis på en version af den anden termodynamiklov, formuleret i 1931 af den norske kemiker Lars Onsager, som især gælder for termoelektriske processer, en bedrift, der havde unddraget sig fysikmiljøet i 85 år.

"Termodynamikkens anden lov er den mest generelle af ikke bare fysikkens love, men alle naturlovene, "Stafford siger." Og der er mange udøvere inden for dette område af kvantefysik, der foreslår, at den anden lov ikke gælder for systemer, der er i en tilstand, der er langt fra ligevægt, men vi viser, at det gør det. "

Det viser sig, alt skal respektere den anden lov. Herunder et børneværelse.