Τώρα που φθινοπωριάζει, αρχίζει και η εποχή της κουβέρτας, της ταινίας και της ζεστής σοκολάτας. Σκεφτείτε να απολαμβάνετε το καυτό αυτό ρόφημα. Κάποια στιγμή θα κρυώσει. Κι αυτό γιατί η θερμότητα διαχέεται από τα θερμότερα μέρη στα ψυχρότερα, σύμφωνα με τον νόμο του Φουριέ.
Ωστόσο, στις μικρότερες κλίμακες ο νόμος αυτός δεν ισχύει απόλυτα. Μέχρι σήμερα δεν υπήρχε κάποιο θεωρητικό πλαίσιο για να εξηγήσει τι συμβαίνει ακριβώς. Όμως, μια νέα έρευνα του Τμήματος Φυσικής του Πανεπιστημίου Auburn στις ΗΠΑ, που δημοσιεύτηκε τον Ιούνιο του 2026, μας το έδωσε.
Τι λέει ακριβώς το πλαίσιο; Και γιατί είναι σημαντικό;
Σύμφωνα με τον νόμο του Φουριέ, η θερμότητα μεταφέρεται από μια σειρά δονούμενων ατόμων που λέγονται φωνόνια – κάτι σαν μικροί «κουβαλητές» θερμότητας. Τεράστιοι αριθμοί φωνονίων διασκορπίζονται και συγκρούονται και έτσι η θερμότητα απλώνεται σταδιακά γύρω-γύρω στο υλικό, με τη συνολική θερμοκρασία να πέφτει σιγά-σιγά μέχρι να ισορροπήσει.
Στις μικρότερες κλίμακες, τα φωνόνια δεν διασκορπίζονται αμέσως και η μεταφορά της θερμότητας μπορεί να αποκτήσει πολλές διαφορετικές μορφές. Για παράδειγμα υπάρχουν τα «κύματα θερμότητας», όταν δηλαδή η θερμότητα ταξιδεύει σαν κύμα, φτάνει μέχρι ένα σημείο, αντανακλάται και δημιουργεί ταλαντώσεις στη συνολική θερμοκρασία.
Υπάρχει επίσης και η «ημι-βαλλιστική» μεταφορά θερμότητας, όπου κάποια φωνόνια συγκρούονται όπως στην κανονική διάχυση του Φουριέ, ενώ κάποια άλλα απλά ταξιδεύουν μακριά μέχρι να βρουν τον στόχο τους – σαν ένα πύραυλο που εκτοξεύεται. Για να το κάνετε εικόνα, σκεφτείτε κάποιον που σπρώχνεται με κόσμο σε ένα φεστιβάλ για να φτάσει από τη μια άκρη της αρένας στην άλλη και έναν άλλον που απλά διασχίζει την αρένα από ψηλά σε μια εναέρια τροχαλία.
Οι επιστήμονες της έρευνας, ο Jianjun Dong, καθηγητής της έδρας Thomas and Jean Walter στο Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Auburn, και ο Yi Zeng, ερευνητής στο National Laboratory of the Rockies (NREL), στο Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ, έδωσαν διαφορετικές μαθηματικές περιγραφές για την κάθε μια από αυτές τις συμπεριφορές.
Συγκεκριμένα, έφτιαξαν έναν χωροχρονικό χάρτη, ο οποίος δείχνει πώς η αλλαγή θερμοκρασίας σε ένα σημείο Α, κάποια στιγμή στο παρελθόν, επηρεάζει το πώς μεταφέρεται η θερμότητα σε ένα σημείο Β, στο «τώρα».
Εδώ, οι σχέσεις Green-Kubo, μπορούν να εξηγήσουν τι συμβαίνει καλύτερα από τον νόμο του Φουριέ. Πρόκειται για μια σειρά μαθηματικών σχέσεων στη Φυσική, που μας επιτρέπουν να υπολογίζουμε πόσο εύκολα μεταφέρεται η θερμότητα σε ένα υλικό, απλά κοιτάζοντας τις τυχαίες, μικροσκοπικές κινήσεις των μορίων του υλικού αυτού, όταν αυτό είναι ακίνητο.
Για να δουν πώς δουλεύει πρακτικά το θεώρημά τους, οι επιστήμονες το εφάρμοσαν στο κρυσταλλικό πυρίτιο – ένα από τα βασικά υλικά των μικροτσιπ, των φωτοβολταϊκών και των υπολογιστών. Συγκεκριμένα, χρησιμοποίησαν ακτίνες λέιζερ για να δημιουργήσουν ένα «θερμικό πλέγμα» και τότε άρχισαν να παρατηρούν πώς αυτό εξασθενούσε σε πολύ μικρές αποστάσεις του υλικού – από μικρόμετρα μέχρι και νανόμετρα.
Τότε προέκυψαν δύο ερωτήματα: πόσο διαρκεί η επιρροή μιας παλαιότερης αλλαγής στον τρόπο που μεταφέρεται η θερμότητα – δηλαδή για πόση ώρα «θυμάται» η θερμότητα μια διαταραχή που έγινε πριν; Και πόσο μακριά φτάνει η επιρροή μιας αλλαγής θερμότητας μέσα στο ίδιο το υλικό;
Οι επιστήμονες είδαν ότι στο πυρίτιο, το πόσο μακριά ταξιδεύει η θερμότητα παίζει πολύ μεγαλύτερο ρόλο από το πόσο χρόνο κρατάει η «μνήμη» της. Παρατηρήθηκε ότι τα φωνόνια ταξίδεψαν αρκετά μακριά πριν συγκρουστούν, μεταφέροντας τη θερμότητα σε απομακρυσμένα σημεία του πυριτίου.
Έγινε και μια σημαντική παρατήρηση όσον αφορά τη μεταβολή θερμότητας σε μορφή κυμάτων. Το να βλέπουμε τη θερμότητα να συμπεριφέρεται σαν κύμα δεν σημαίνει απαραίτητα ότι τα σωματίδιά της κινούνται στον ίδιο ρυθμό. Στο πυρίτιο, άλλα σωματίδια τρέχουν γρήγορα και άλλα αργά, οπότε μπερδεύονται μεταξύ τους κι έτσι το κύμα εξαφανίζεται πριν καν προλάβει να φανεί καθαρά.
Αρα, στα μικροτσιπ, τα φωνόνια δεν μεταφέρουν την ενέργειά τους στους «γείτονές» τους, αλλά την «εκτοξεύουν» απευθείας πιο μακριά στο υλικό. Κι αυτό είναι και το κλειδί για να κρυώσει ένα μικροτσιπ πιο εύκολα.
Το πλαίσιο είναι ακόμα πολύ θεωρητικό και χρειάζεται δουλειά. Επόμενο βήμα είναι να γίνουν προσομοιώσεις σε πιο σύνθετα και άτακτα συστήματα. Σε κάθε περίπτωση, καθώς τα τσιπ υπολογιστών γίνονται ακόμα μικρότερα και λειτουργούν ταχύτερα, η θερμότητα ενδέχεται να μην διαχέεται με τον ομαλό και προβλέψιμο που έχουμε συνηθίσει. Ένα είναι σίγουρο: στις μικρότερες κλίμακες, η θερμότητα «θυμάται» και τα ίχνη του που ήταν πριν ενδέχεται να μας φανούν πολύ χρήσιμα για τις τεχνολογίες του μέλλοντος.
Καθώς η έρευνα είναι καινούργια, κάποιοι όροι στα ελληνικά έχουν μεταφραστεί κατά προσέγγιση.
Με την εγγραφή σας, συμφωνείτε με τους Όρους Χρήσης μας (συμπεριλαμβανομένης της παραίτησης από ομαδικές αγωγές και των διατάξεων διαιτησίας) και αναγνωρίζετε την Πολιτική Απορρήτου μας.
