Bohaterem najnowszego artykułu naukowego opublikowanego na łamach periodyku Proceedings of the National Academy of Sciences jest jedno z najstarszych opisanych praw fizycznych, tj. prawo Fouriera, które opisuje przewodzenia ciepła przez ciała stałe. Co do zasady, w przypadku zetknięcia dwóch ciał stałych o różnej temperaturze, energia kinetyczna cząstek tworzących ciało o wyższej temperaturze przekazywana jest w wyniku zderzeń cząstkom o niższej temperaturze, co prowadzi do wyrównania temperatury między nimi.
Na przestrzeni dekad naukowcy dostrzegli już wyjątki od tego prawa. Za każdym razem jednak wyjątki te ograniczały się do mikroskopijnych skali. Teraz jednak po raz pierwszy udało się odkryć wyjątek, który dotyczy także ciał stałych w skali makro.
Naukowcy wskazują w swojej pracy, że wyjątek ten dotyczy przezroczystych ciał stałych, niezależnie od tego czy są to tworzywa sztuczne, czy też szkło. To w nich bowiem promieniowanie elektromagnetyczne stanowi dodatkową i niezależną ścieżkę przewodzenia ciepła, czego prawo Fouriera nie uwzględnia.
Czytaj także: Czy prawa fizyki mogą się zmienić? Wieloletni eksperyment dostarczył odpowiedzi
Jak przekonują fizycy, zaczynem do projektu badawczego było rozważanie nad możliwością istnienia zupełnie nowych ścieżek transferu ciepła w ciałach stałych.
Jak dotąd uważano, że ciepło rozchodzi się w ciałach stałych przez dyfuzję, dokładnie tak, jak ma to miejsce, gdy gorąca herbata ogrzewa dłoń trzymającą szklankę, w której ta herbata się znajduje.
Kaikai Zheng, fizyk z Uniwersytetu Massachussetts Amherst, który jest głównym autorem najnowszego artykułu, wraz ze swoimi współpracownikami postawił tezę, że w przypadku przezroczystych polimerów oraz w przypadku szkła może występować pewne odstępstwo od prawa Fouriera. Według badaczy ciepło przenika przez oba te materiały, ale ich przezroczystość umożliwia przenikanie przez nie energii promieniowania elektromagnetycznego.
Weryfikacja takiej hipotezy wymagała skorzystania z komory próżniowej, w której umieszczono przezroczyste materiały, na które następnie skierowano wiązkę laserową. Warunki próżni wyeliminowały udział powietrza, które odpowiada za konwencyjne rozprzestrzenianie ciepła. Specjalna kamera rejestrująca promieniowanie podczerwone przez cały czas trwania eksperymentu obserwowała rozprzestrzenianie się ciepła. Eksperyment zakończył się całkowitym sukcesem, bowiem w wynikach udało się odkryć odchylenia, których prawo Fouriera nie jest w stanie wyjaśnić.
Czytaj także: Prawa fizyki można modyfikować? Śmiałe słowa profesora astrofizyki
Wychodzi zatem na to, że materiał materiałowi nierówny i przezroczyste polimery przewodzą ciepło w dość nieoczekiwany sposób. Szczegółowa analiza wykazuje bowiem, że promieniowanie elektromagnetyczne oddziałuje z drobnymi niedoskonałościami wewnątrz takiego ciała stałego. Owe niedoskonałości w ten sposób stają się wtórnymi źródłami ciepła, które zgodnie z prawem Fouriera także przekazują ciepło dalej.
Autorzy opracowania w konkluzji swojego artykułu zwracają uwagę na fakt, iż nie dowiedli w żaden sposób błędności prawa Fouriera, a jedynie dostrzegli w nim pewne luki, które teraz udało im się wypełnić. Jak widać, nawet dwustuletnie prawo fizyki wciąż można doprecyzowywać, aby na podstawie ewoluującej wiedzy tworzyć coraz lepsze rozwiązania technologiczne.