真空能夠傳遞熱量

真空居然能夠傳遞熱量！《自然》雜志刊登顛覆教科書的發(fā)現(xiàn)！

還記得熱傳遞的3種方式嗎？在物理課本上，除了熱輻射，熱傳導、熱對流這兩種通過聲子傳熱的方式，都無法在真空中發(fā)生。但在量子物理學家看來，真空并不是一片真正的“虛空”，而是充滿了量子漲落。

一項近期發(fā)表于《自然》雜志的實驗就首次證明，量子效應(yīng)可以讓聲子在真空中傳遞熱量。終于，一種全新的熱傳遞方式被找到了。

中學教科書告訴我們，熱能在固體中的傳導，主要通過聲子（電子或分子）振動進行。在真空世界里，由于缺少傳遞介質(zhì)，人們一直認為熱量是通過輻射而不是聲子傳遞的。

1948年，荷蘭物理學家Hendrik Casimir（亨德里克·卡西米爾）基于量子力學提出 “凱西米爾效應(yīng)”，預測即使在沒有物質(zhì)存在的真空里面，仍然能發(fā)生能量漲落。也就是說，即便是在真空中，電磁場的量子波動也會引起聲子耦合，從而促進熱傳遞。

有鑒于此，現(xiàn)任香港大學校長張翔教授所帶領(lǐng)的加州大學伯克利分校的研究團隊對此進行了實驗驗證，證明了完全真空隔開的兩個物體之間的量子波動可引起熱傳導，這是一種前所未有的熱傳遞方式，也昭示著聲音也可能在真空中傳播。

研究者特地定制了兩張膜的不同尺寸，使它們在不同的起始溫度下（分別是13.85℃和39.35℃），都能以每秒191600次的頻率振動。當兩張膜共振時，能量就能迅速交換。

另外，研究者確保了兩張膜相互平行，誤差不超過幾納米。同時，他們還保證膜非常光滑，表面的凹凸不超過1.5納米。在實驗中，兩張膜被固定在了真空室的兩側(cè)，他們用加熱器對其中一張膜加熱，同時用制冷器給另一張降溫。

為了探測振動頻率，也就是溫度的變化，兩張膜的表面都覆蓋了薄如蛛網(wǎng)的金反射層，并用微弱的激光對其照射。經(jīng)歷了多次實驗后，研究團隊確認，膜與真空室的接觸面不存在熱傳導，并且兩張膜之間也沒有借助電磁波的熱輻射發(fā)生。

最終，研究團隊發(fā)現(xiàn)，當將兩張膜的距離低于600納米時，它們的溫度就發(fā)生了變化，并且該變化無法用其他理論解釋。當相距不足400納米時，熱交換的速率足夠讓膜的溫度發(fā)生明顯變化。

實驗成功后，研究者計算出實驗中聲子傳遞能量的效率：約6.5×10^-21焦耳/秒。按這個速率計算，如果想要傳遞一個可見光光子的全部能量，則需要50秒。盡管這看起來微不足道，張翔認為這仍然是“熱量在兩個物體之間傳遞的新機制”。

這一現(xiàn)象足以證明，熱能至少能在真空中傳遞數(shù)百納米的距離，顛覆了經(jīng)典的傳熱理論。

這一發(fā)現(xiàn)揭示獨特的量子效應(yīng)將為量子熱力學打開新的大門，并為納米技術(shù)的熱管理帶來實際意義。

雖然這項工作還存在熱量傳遞距離的局限，但是對于納米尺度的電子元器件的散熱，尤其是芯片、手機和電腦等電子產(chǎn)品實現(xiàn)更小、更輕開辟了新的道路。