כשאתה נוגע במשטח חם אתה מרגיש תנועה. אם אתה לוחץ את היד על ספל תה, החום מתפשט באצבעותיך. זו התחושה של מיליארדי אטומים שמתנגשים זה בזה. תנודות קטנטנות נושאות אנרגיה תרמית מהמים לספל ואז אל תוך עורכם כאשר מולקולה אחת דופקת לשנייה, ומעבירה אותה לשליש - וכך הלאה לאורך הקו.
חום יכול גם לחצות את החלל כגלים של קרינה, אך ללא קרינה הוא צריך דברים שיעברו דרכם - מולקולות כדי להיתקע במולקולות אחרות. בוואקום אין "דברים", ולכן הם נוטים ללכוד חום. במסלול כדור הארץ, למשל, אחד האתגרים ההנדסיים הגדולים ביותר הוא להבין כיצד לקרר ספינת טילים.
אולם כעת, חוקרים הראו כי במאזניים מיקרוסקופיים זה לא ממש נכון. במאמר חדש שפורסם ב -11 בדצמבר בכתב העת Nature, פיזיקאים הראו כי תנודות חום מעטות יכולות לחצות מאות ננומטר של שטח ריק. הניסוי שלהם ניצל תכונה לא מצחיקה של הוואקום הקוונטי: הוא בכלל לא ריק.
"הראינו ששני אובייקטים מסוגלים 'לדבר' זה עם זה על פני שטח ריק של, למשל, מאות ננומטרים," אמר האו-קון לי, מחבר המחקר המשותף. לי הוא פיזיקאי מאוניברסיטת סטנפורד שעבד על מחקר זה בזמן שהיה דוקטורנט באוניברסיטת קליפורניה, ברקלי.
מאות ננומטרים הוא מרחב אינסופי במונחים אנושיים - אלפי מילימטרים בודדים, או קצת יותר גדולים מנגיף טיפוסי. אבל זה עדיין פער גדול מדי מכדי שחום יעבור, לפחות לפי הדגמים הפשוטים של העברת חום.
בשנת 2011 החוקרים החלו לשער שהוואקום הקוונטי עצמו יוכל לשאת את הרטט המולקולרי של החום. מאמר שפורסם בכתב העת Applied Physics Letters ציין כי בפיזיקה הקוונטית מובן שהוואקום כמקום משופע באנרגיה. תנודות אקראיות של חומר ואנרגיה מתעוררות ואז נעלמות, בדרך כלל בקנה מידה קטן בהרבה מכפי שאנשים יכולים לדמיין.
תנודות אלה הן כאוטיות ולא צפויות. אבל הם יכולים להתנהג כמו אבני דריכה כדי לשאת גל חום - בצורה של עירור קוונטי המכונה פונון - על פני פער. אם היית פונון שמתכוון לחצות פער רחב של, נניח, כמה סנטימטרים ספורים, הסיכויים לתנודות הנכונות המתרחשות בסדר הנכון כדי לעבור אותך היו כל כך נמוכות עד שהמאמץ יהיה חסר טעם.
אך כווצו את הסולם, הראו החוקרים והסיכויים משתפרים. בערך 5 ננומטר, הופס הקוונטים המוזר הזה יהפוך לדרך הדומיננטית להעברת חום על שטח ריק - מעבר למקרינה אפילו של קרינה אלקטרומגנטית, שנחשבה בעבר כדרך היחידה לאנרגיה לחצות ואקום.
עם זאת, אותם חוקרים חזו שההשפעה תהיה משמעותית רק עד לגודל של כעשרה ננומטר. אבל לראות משהו בסולם של 10 ננומטר זה קשה.
"כשעיצבנו את הניסוי הבנו שלא ניתן לעשות זאת בקלות," אמרה לי ל- Live Science.
גם אם ההשפעה מתרחשת, הסולם המרחב קטן כל כך, עד שאין דרך טובה למדוד אותו באופן סופי. כדי לייצר את התצפית הישירה הראשונה על חום החוצה ואקום, פיסיקי ברקלי UC הבינו כיצד ניתן להגדיל את הניסוי.
"עיצבנו ניסוי המשתמש בממברנות מכניות רכות מאוד," כלומר הם אלסטיים מאוד או מתוחים, אמר לי.
אם תפרוט מיתרי גיטרה מפלדה נוקשה, הוא הסביר, התנודות שהתקבלו יהיו קטנות בהרבה מאלה שהיית רואה אם תריט מיתר גיטרה אלסטי יותר אלסטי באותה חוזק. אותו דבר קרה על הננומטרי בניסוי: אותם קרומים אולטרה-אלסטיים אפשרו לחוקרים לראות תנודות חום זעירות שאחרת לא היו נראות לעין. על ידי ניתוב בזהירות של האור מהקרומים הללו, הצליחו החוקרים להתבונן בפונונים של חום החוצה את הפער הדומם פחות.
בהמשך הדרך, אמרה לי, עבודה זו עשויה להתברר כמועילה - הן עבור אנשים שבונים מחשבים רגילים והן עבור מעצבי מחשבים קוונטיים.
הבעיה העיקרית בבניית מיקרו-שבבים טובים ומהירים יותר היא להבין כיצד לפזר חום ממעגלים שהתגודדו בחללים זעירים, אמר לי.
"הממצא שלנו בעצם מרמז שאתה יכול להנדס את הוואקום כדי לפזר חום משבבי מחשב או ממכשירים ננומטריים," אמר.
אם הייתם מכווננים את הוואקום על ידי עיצובו נכון של החומרים הנכונים, הוא עלול - לעתיד לעתיד - להיות יעיל יותר בהוצאת החום מהשבב מכל אמצעי קיים, אמר.
ניתן להשתמש בטכניקות בהן השתמשו החוקרים כדי לסבך את הפונונים - התנודות עצמן - על פני ממברנות שונות. זה יקשר בין הפונונים ברמה קוונטית באותה דרך שפיזיקאים קוונטיים כבר מקשרים בין פוטונים, או חלקיקי אור, המופרדים בחלל. לאחר קישור זה, ניתן להשתמש בפונונים לאחסון והעברת מידע קוונטי, כדי לתפקד כ"קיביט המכני "של מחשב קוונטי היפותטי. וברגע שהתקרר, הוא אמר, הפונונים צריכים להיות יעילים עוד יותר באחסון נתונים לטווח הארוך מאשר קווביטים מסורתיים.
