普朗克定律 一个物理学的基本定律，未能通过纳米尺度上的检验

最近，来自威廉玛丽学院和密歇根大学的研究人员的一项新发现改变了我们对普朗克黑体辐射定律的理解，该定律是现代物理学中最重要的定律之一。经过一系列实验，研究人员发现，普朗克辐射定律不适用于小于一定尺寸的物体。这项发表在《自然》杂志上的新发现可能会对从纳米技术到我们对太阳系的理解的方方面面产生深远的影响。

1.普朗克辐射定律

普朗克辐射定律是现代物理学的支柱，也是量子物理学最重要的成果之一。是德国物理学家马克斯·普朗克在1900年提出的。这个定律解释了物体的温度与其以电磁波形式辐射的能量之间的关系。

20世纪初，物理学家研究光和亚原子粒子时，发现在原子层面上，所有物质的行为都像波和粒子。光不仅是称为光子的粒子流，而且是振荡电磁场中的波。光波称为电磁辐射，可见光只是电磁光谱的一小部分。

虽然在普朗克之前，人们可以很好地测量热物体辐射的完整光谱，但是没有人真正理解发生了什么，当时的理论也无法解释这种现象。直到普朗克提出了理论解释，后来成为量子力学的基石。

普朗克提出了“量子化”的概念。根据他的理论，光不仅是电磁波，而且是量子化的电磁波。它作为离散量子发射和吸收，可以解释这种现象。

另外，普朗克的理论是基于光子的能量取决于其频率的假设。这意味着电磁波的能量也是量子化的。他在他的辐射定律中阐明了能量和频率的关系。物理学家一直假设这个定律适用于宇宙中的所有物体。

2.实验中的困惑

但是五年前，密歇根大学机械工程教授普拉莫德·雷迪发现了一种微结构，它可以在孤立的物体之间产生惊人的热流。

长期以来，他们无法指出这一现象的根本原因。本文第一作者达科塔·汤普森根据标准普朗克理论进行了计算，但发现计算结果似乎无法解释实验中观察到的现象。

当时，作为一名新加入雷迪实验室的研究生，教授们怀疑汤普森的计算可能是错误的。但结果表明他的计算是正确的。所以接下来，汤普森的任务是找出发生了什么。

两个物体之间热流率的极限取决于很多因素，如物体的大小、温度、两个物体的相对表面以及物体之间的距离。热量以电磁波的形式在物体之间传播，如红外辐射和可见光。

2009年，物理学家发现，如果两个物体之间的间隙是纳米级的，也就是比辐射的主波长短，那么热流就会比理论预测的快一万倍。也就是说，当这些物体处于所谓的“近场”时，普朗克定律不适用。但是如果物体之间的距离大于辐射的波长，这种情况就不会发生。

3.实验中的困惑

在雷迪和密歇根大学另一位机械工程教授埃德加·迈赫夫的指导下，汤普森进行了一系列实验。这一次，他们怀疑这可能与物体的厚度有关。

雷迪用钱包里的两张卡片向汤普森解释了这个概念。他把一张卡片放在手掌上，另一张放在手指上，中间留有一点空隙。之后，汤普森在纳米制造厂待了几个月，制作了形状类似于卡片，但长度和宽度不到卡片1/1000的氮化硅半导体平板对。最后，制造的半导体平板的厚度在10微米到270纳米之间，汤普森将它们悬挂在比人类头发薄100倍的横梁上。

○温度较高的辐射物体和温度较低的辐射接收物体悬浮在非常细的光束上，这样辐射物体就可以被通过的电流加热。另一方面，可以通过测量辐射接收对象的温度变化来计算传递的热量。SiN板的厚度小于辐射波长，两块板之间的距离大于辐射波长。|图片来源:Dakotah Thompson等。

研究人员将两块板分开了相对较长的距离——比辐射波长长，而板的厚度小于一个波长。然后，他们加热一个盘子，测量另一个盘子的热量增加。如果普朗克定律成立，那么第二平板上的热量增加应该与普朗克的预测一致。然而，研究人员发现，实验中传输的辐射能量是普朗克辐射定律预测的100倍。

对于一个信用卡形状大小的物体，热量通常从六个表面辐射，辐射强度与表面积成正比。然而，这一发现表明，当这些结构非常薄，只有绿光波长的一半左右时，这些边缘释放和吸收的热量远远超过预期。

○测得的热导率大于普朗克黑体辐射定律的预测值，物体厚度越小，实验与理论预测结果的比值越大。|图片来源:Dakotah Thompson等。

获得实验结果后，汤普逊开始与实验室博士后朱密切合作。朱对两块薄板建立了详细的数学模型，并试图解释控制这两块薄板之间传热的物理机制。

模拟结果表明，热流强度增加100倍的现象是由电磁波在薄板中的传播方式引起的。因为电磁波将在平行于板的较长维度的方向上传播，所以热量将从边缘辐射。在吸收能量的对面板块，同样的概念也在发挥作用。

4.小尺寸和大应用

虽然辐射增强的效果在微米或更小的尺度上最为明显，但新兴的纳米技术可能意味着这些新发现可以应用于设备。

雷迪说:“因为我们发现了这种传热机制，人们可能会使用新的方法来控制热量。”

该团队提出的应用例子包括以类似于电子控制电子设备的方式控制热流，以及为下一代计算机和二极管制造热晶体管。例如，未来的建筑材料可以在凉爽的夏夜释放热量，但在冬天保温。太阳能电池可以将太阳光谱中未转化为电能的部分用于其他目的，例如建造一个屋顶设备，可以利用这些损失的能量来加热水。

不过，雷迪也警告说，热基计算设备会比电子计算机更慢、更大，但他认为，在某些情况下，热基计算设备可能有优势，比如高温环境会对传统电子设备造成损坏。

此外，从这项工作中获得的见解也可以用于热辐射发挥重要作用的地方，如模拟行星大气、原行星形成和天体物理现象。

参考源:

https://www . science daily . com/releases/2018/09/180905124705 . htm

https://www . WM . edu/news/stories/2018/in-nature-a-nano-discovery-with-big-implications . PHP

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0480-9