Grundlegendes Gesetz der Physik in Frage gestellt

Neue Entdeckung stellt Plancksches Strahlungsgesetz in Frage

Eine kürzlich von Forschern an Amerikas zweitältester Universität William & Mary und an  der University of Michigan gemachte, in Nature publizierte Entdeckung verändert unser Verständnis für eines der wichtigsten Gesetze der modernen Physik – das Plancksche Strahlungsgesetz von 1900.  Das gibt die Verteilung der elektromagnetischen Energie der Wärmestrahlung eines schwarzen Körpers in Abhängigkeit von der Wellenlänge oder der Frequenz der Strahlung an und gilt als Grundlage der Quantenphysik, schreibt Adrienne Berard auf der W&M-Internetseite.

Die Entdeckung hat weitreichende Auswirkungen auf die Wissenschaft, von der Nanotechnologie bis hin zu unserem Verständnis des Sonnensystems. “Das ändert alles, sogar unsere Vorstellungen von der planetarischen Bildung”, sagte Mumtaz Qazilbash, außerordentlicher Professor für Physik an Amerikas zweitältester Universität William & Mary und Mitautor des Papiers. “Das volle Ausmaß dessen, was das bedeutet, ist eine wichtige Frage, und offen gesagt, eine, über die ich weiter nachdenken werde.”

Das Strahlungsgesetz von Planck ist eine Säule der modernen Physik und eine der wichtigsten Erkenntnisse der Quantenphysik. Das Gesetz wurde 1900 von Max Planck formuliert und ist eine mathematische Gleichung, die den Zusammenhang zwischen der Temperatur eines Objekts und der von diesem Objekt in Form von elektromagnetischer Strahlung abgestrahlten Energie erklärt. Durch eine Reihe von Experimenten konnte das Team zeigen, dass Plancks Gesetz nicht für Objekte gilt, die kleiner als eine bestimmte Längenskala sind – und das Ergebnis ist 100mal höher als das, was das Gesetz vorhersagen würde. Qazilbash sagte, die eigentliche Herausforderung sei es, die Diskrepanz nicht nur zu beweisen, sondern auch zu erklären.

Qazilbash und zwei W&M-Absolventen, Zhen Xing und Patrick McArdle, arbeiteten mit einem Team von Ingenieuren der University of Michigan zusammen, um zu testen, ob das Strahlungsgesetz von Planck, ein grundlegendes wissenschaftliches Prinzip, das auf der Quantenmechanik basiert, im kleinsten Maßstab anwendbar ist.

[note Artikel in Nature: ” Hundred-fold enhancement in far-field radiative heat transfer over the blackbody limit” (Hundertfache Verbesserung der Fernfeld-Strahlungswärmeübertragung über die Schwarzkörpergrenze” – Abstrakt:
Radiative Heat Transfer (RHT, Strahlungswärmeübertragung) spielt eine zentrale Rolle bei der Entropieerzeugung und dem Energietransfer in Längenskalen von Nanometern bis Lichtjahren. Die Schwarzkörpergrenze, wie sie in Max Plancks Theorie des RHT festgelegt wurde, bietet eine geeignete Metrik zur Quantifizierung der RHT-Raten, da sie die maximal mögliche RHT-Rate zwischen makroskopischen Objekten im Fernfeld darstellt, d.h. bei Separationen, die größer als die Wellenlänge (Wilhelm) Wiens (dessen Verschiebungsgesetz aus dem planckschen Strahlungsgesetz abgeleitet wird) sind. Jüngste experimentelle Arbeiten haben die Möglichkeit einer Überwindung der Schwarzkörpergrenze im Nahfeld bestätigt, aber Wärmeübertragungsraten, welche die Schwarzkörpergrenze überschreiten, wurden bisher im Fernfeld nicht nachgewiesen. Hier verwenden wir maßgeschneiderte kalorimetrische Nanostrukturen mit eingebetteten Thermometern, um zu zeigen, dass RHT zwischen planaren Membranen mit Subwellenlängendimensionen die Schwarzkörpergrenze im Fernfeld um mehr als zwei Größenordnungen überschreiten kann. Die von uns beobachteten Wärmeübertragungsraten stimmen gut mit Berechnungen auf der Grundlage der schwankenden Elektrodynamik überein. Diese Ergebnisse können für verschiedene Bereiche wie Energieumwandlung, Atmosphärenwissenschaften und Astrophysik, in denen RHT wichtig ist, unmittelbar wichtig werden.”]

Folgt: Um 1900 beginnt das Verstehen