Охлаждение теплом
Если мы добавляем энергию к телу, например, нагревая его, его температура повышается - явление, которым все пользуются при приготовлении пищи. Однако астрофизики еще в 1970-х годах предсказали, что звездные скопления также могут вести себя иначе: они остывают при добавлении энергии. Спустя годы теоретики сделали аналогичный прогноз и для небольших атомных кластеров. Фрайбургским физикам действительно удалось наблюдать этот эффект на кластерах атомов натрия. Микроволновка подает звуковой сигнал, объявляя об окончании своей работы. Как только мы открываем дверь, на нас обрушивается теплый пар разогретой еды. «Подогрев» означает, что мы добавляем энергию к еде в виде тепла или, чтобы продолжить пример, в виде микроволнового излучения для повышения температуры - повседневный процесс. Мы, конечно, были бы поражены, если бы еда была холоднее, чем раньше, после того, как она была разогрета. Однако, согласно некоторым старым соображениям теоретической физики, именно это и должно происходить для некоторых систем. Считается, что добавленная энергия охлаждает звезды или звездные скопления. Это явление можно наблюдать и в очень малых системах, состоящих из скопления многих атомов - так называемых кластерах. Однако до сих пор ученым не удалось предоставить доказательств в этом случае.
Хельмут Хаберланд и его коллеги из Фрайбургского университета смогли продемонстрировать долгожданный эффект на кластерах из 147 атомов натрия. Исследователи создали кластеры натрия, продувая очень холодным гелием кастрюлю с кипящим натрием. Пары натрия конденсировались в кластеры и приобретали температуру гелия. Затем исследователи отсортировали кластеры по размеру с помощью масс-спектрометра и отобрали образцы, содержащие 147 атомов, для измерения их энергии.
Но как измерить энергию кластера? Для этого физики освещают его лазерным светом. Фотоны высвобождают свою энергию, в результате чего кластер распадается на фрагменты, размеры которых зависят от энергии исходного кластера. Ученые определили размер фрагментов при разных энергиях и использовали это для расчета его теплоемкости. Это количество тепла, необходимое для повышения температуры тела на один градус Цельсия. Как и ожидалось, она стала отрицательной вблизи точки плавления, то есть температура падала по мере добавления тепла.
Но почему кластер атомов остывает, когда к нему добавляется тепло? В больших масштабах понятно, что происходит: например, кубик льда поглощает тепловую энергию и использует ее для растворения решетчатой структуры. Это также называют теплотой плавления или скрытой теплотой, поскольку она увеличивает энтропию системы - явно беспорядок, - но не температуру. Твердая часть заметно исчезает, а жидкая часть растет. Однако в этих макроскопических системах лишь очень небольшая часть всех атомов находится в пограничном слое между твердым телом и жидкостью - около 10-7
Но с кластерами мир совсем другой. Здесь площадь поверхности намного больше по отношению к объему. Около 20 процентов всех атомов находятся на границе раздела. Частично расплавленное состояние здесь энергетически очень невыгодно. Таким образом, атомы преобразуют часть кинетической энергии в потенциальную и, таким образом, поддерживают процесс плавления - таким образом, температура падает, хотя общая энергия увеличивается.
Согласно Габерланду, таким же образом можно объяснить и отрицательную теплоемкость в астрономических системах. Их можно понимать как сумму различных компонентов, поэтому возникают такие же эффекты, как и в случае кластеров атомов. Например, необходимо учитывать локальные эффекты, такие как гравитация между двумя партнерами в двойной звездной системе. Звездная система огромна, особенно по сравнению с атомным скоплением. На самом деле, она очень мала по сравнению с дальнодействующей гравитационной силой. «Когда Дональд Линден-Белл впервые применил концепцию отрицательной теплоемкости к астрофизическим системам, физики подумали, что это ерунда, - говорит Хаберланд, - но мы доказали, что это явление действительно существует».