مکانیک کوانتومی و تثبیت گرما

این تصویر نشان می دهد که هنگامی که تنظیم با سرعت 0.5 دور در دقیقه چرخانده می شود، سیستم آزمایشی در سمت چپ نشان می دهد که گرمترین قسمت (سفید) حلقه در پایین پس از چند ثانیه حرکت ثابت مانده است. مرجع در سمت راست نشان می دهد که داغترین بخش حلقه حرکت بیشتری در اطراف رینگ در ارتباط با حرکت آن کرده است.
 
یک تحقیق جامع و مهم که توسط محققان از دانشگاه ملی سنگاپور (NUS) انجام شده است روش استفاده ای از نظریه های موجی مکانیک کوانتومی برای "قفل کردن" گرما در یک موقعیت ثابت را آشکار کرده است.
 
به طور معمول، منبعی از حرارت از طریق یک ماده رسانای گرما پخش می شود تا زمانی که پراکنده شود، اما دانشیار چِنگ وِی کیو از بخش مهندسی برق و کامپیوتر در هیأت علمی مهندسی NUS و تیم او از اصل تقارن ضد پاریته - زمان (APT ) استفاده کردند که نشان دهند که امکان دارد که گرما را به یک منطقه کوچک از یک حلقه فلزی محدود کرد بدون این که در طول زمان گسترش یابد.
 
در آینده، از این پدیده که به تازگی نشان داده شده است می توان برای کنترل پخش گرما در روش های پیچیده و بهینه سازی کارایی در سیستم هایی که نیاز به خنک سازی دارند استفاده کرد. نتایج مطالعه در مجله ساینس منتشر شد.
 

دانشیار کیو توضیح می دهد: "قطره ای از جوهر را در یک جریان جاری تصور کنید. پس از یک مدت کوتاهی شما می بینید که جوهر پخش شده و در جهت جریان جاری است. اکنون تصور کنید که آن قطره‌ی جوهر با همان اندازه و در همان موقعیت می ماند به گونه ای که آب در اطراف آن جاری بود. به طور مؤثر، این همان چیزی است که ما با پخش گرما در آزمایشمان انجام داده ایم."
 
تنظیم آزمایشی این مطالعه دو حلقه فلزی دوار در جهت های مخالف است که با هم در یک لایه نازک گریس قرار گرفته اند. حرکت چرخشی حلقه ها شبیه جریان جاری در سناریو عمل می کند. هنگامی که گرما در نقطه ای از سیستم تزریق می شود، انرژی حرارتی قادر است در موقعیت بماند، زیرا یک حلقه گردنده به حلقه گردنده در جهت مخالف با اصول تقارن APT کوپل شده است.
 
شرایط این آزمایش بسیار دقیق است تا بتواند موفق شود. دانشیار کیو گفت: "از نظریه مکانیک کوانتوم، شما می توانید سرعت مورد نیاز برای حلقه ها را محاسبه کنید. خیلی آهسته یا خیلی سریع، و شما شرط را خواهید شکست." هنگامی که شرایط شکسته می شود، سیستم به طور مرسوم عمل می کند، و گرما رو به جلو به صورت چرخش های رینگ حمل می شود.
 

چرخیده در سرعت 0.5 دور در دقیقه، سیستم آزمایشی در سمت چپ نشان می دهد که داغ ترین قسمت (سفید) حلقه در پایین همان طور که حرکت می کند ثابت است. مرجع در سمت راست داغترین قسمت حلقه را در ارتباط با حرکت آن نشان می دهد. اعتبار: دانشگاه ملی سنگاپور
 

اعمال اصول تقارن APT به سیستم های درگیر گرما، یک عزیمت کامل از مکتب فعلی فکری در این حوزه است. دانشیار کیو بیان کرد: "این به نحوی قوی متفاوت است باموضوعات تحقیقی عامه پسند جاری. در این زمینه، بسیاری از گروه ها در حال کار بر روی تنظیمات تقارن پاریته - زمان (PT) هستند و تقریباً هیچیک به مکانیک موجی نظر ندارند. این اولین بار است که همه از دایره امواج قدم بیرون گذاشته و نشان داده اند که تقارن APT به سیستم های مبتنی بر پخش مانند گرما، قابل اعمال است."
 
چنان که دانشیار کیو قبول می کند، این تظاهراتِ یک ناحیه فیکس شده از گرما درون فلز متحرک، به نظر می رسد غیر شهودی باشد: "قبل از این مطالعه، مردم واقعا تصور می کردند این یک منطقه ممنوعه است، اما ما می توانیم همه آن را توضیح دهیم. هیچ قانونی از فیزیک را نقض نمی کند." ادراک این است که گردش، گرما را به سادگی برخواهد داشت، اما این همیشه لزوما به این سرراستی نیست. در واقع، دلیلی که دانشیار کیو و تیم او قادر به کنترل گرما بودند معرفی چندین درجه اضافی آزادی به تنظیم آزمایشی هوشمندانه اشان بود - چرخش حلقه ها.
 
او توضیح داد: "برای این که تقارن APT در یک سیستم مهم شود، باید عنصری از از دست دادن و به دست آوردن در تنظیمات وجود داشته باشد و لازم است که آنها در حال تعادل باشند. در یک سیستم پخش حرارتی سنتی، تقارن APT مهم نیست زیرا به دست آوردن یا از دست دادن درجه آزادی وجود ندارد. از این رو، چرخش مکانیکی نقشی کلیدی را در اینجا بازی می کند."
 

بسیاری از فن آوری های مدرن نیاز به حذف موثر گرما دارند. تنظیمات مکانیکی مانند موتورها و همچنین اجزای محاسباتی و الکتریکی باید به طور موثر خنک شوند. در حال حاضر اکثر فن آوری ها با یک جریان ثابت مایع خنک می شوند تا گرما را با فرایند همرفت دور کنند.
 
دانشیار پروفسور کیو اظهار داشت: "این آزمایش نشان می دهد که ما نیاز به مراقبت و دقت بیشتری در هنگام تعیین سرعت جریان و طراحی این سیستم ها داریم." در حالی که تنظیم آزمایشی او شامل حلقه های فلزی با جهت گردش مخالف هم بود، همان اصل را می توان به دیگر تنظیمات در شار اعمال کرد. او اضافه کرد: "ادراک این است که گردش، گرما را به سادگی برخواهد داشت، اما این همیشه لزوما به این سرراستی نیست."
 
بعد، تیم به دنبال افزایش اندازه آزمایش خود است. دانشیار پروفسور کیو گفت: "در حال حاضر استقرار آزمایش ما در محدوده سانتیمتر است، بنابراین ما می خواهیم مقیاس آن را به اندازه موتورهای واقعی یا سیستم های چرخ دنده ای افزایش دهیم. سیستم های چرخ دنده اغلب مکانیسم های مشابه چرخنده در خلاف جهت یکدیگر دارند که گرما تولید خواهند کرد، بنابراین ما مایلیم که این نظریه را اعمال کنیم تا گرما را به نحو مؤثرتری پراکنده کنیم."
 

مترجم: حمید وثیق زاده انصاری