熱在真空環(huán)境下很難被傳遞，這是經(jīng)典物理學(xué)中的一個(gè)基本概念，在中學(xué)物理課上，我們學(xué)習(xí)了熱量的3種傳遞方式：通過(guò)直接接觸傳遞熱量的熱傳導(dǎo)、通過(guò)液體或氣體介質(zhì)傳熱的熱對(duì)流，以及由光子（電磁輻射的載體）傳熱的熱輻射。其中，除了熱輻射，前兩種熱傳遞方式都無(wú)法在真空中進(jìn)行。現(xiàn)在，第4種熱傳遞方式被發(fā)現(xiàn)了，而教科書也會(huì)改寫。在量子物理學(xué)家看來(lái)，真空并不是一片真正的“虛空”，而是充滿了量子漲落。

香港大學(xué)校長(zhǎng)張翔教授帶領(lǐng)的加州大學(xué)伯克利分校科研團(tuán)隊(duì)的最新研究顯示，熱能可以跨越幾百納米的完全真空空間。這一成果，不僅是對(duì)經(jīng)典物理學(xué)的顛覆，更將對(duì)計(jì)算器芯片和其他在設(shè)計(jì)上以散熱為關(guān)鍵考慮的納米級(jí)電子組件產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，對(duì)于高速計(jì)算器和大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的發(fā)展也非常重要。這項(xiàng)極具開(kāi)創(chuàng)性的研究結(jié)果日前在《自然》雜志發(fā)表。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1800-4

1948年，荷蘭物理學(xué)家Hendrik Casimir（亨德里克·卡西米爾）基于量子力學(xué)提出 “凱西米爾效應(yīng)”，預(yù)測(cè)即使在沒(méi)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(shuō)，即便是在真空中，電磁場(chǎng)的量子波動(dòng)也會(huì)引起聲子耦合，從而促進(jìn)熱傳遞。有鑒于此，現(xiàn)任香港大學(xué)校長(zhǎng)張翔教授所帶領(lǐng)的加州大學(xué)伯克利分校的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了完全真空隔開(kāi)的兩個(gè)物體之間的量子波動(dòng)可引起熱傳導(dǎo)，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。

張翔教授是美國(guó)國(guó)家工程院院士、中國(guó)科學(xué)院外籍院士。他說(shuō)，由于分子振動(dòng)也是我們聽(tīng)到聲音的基礎(chǔ)，這一發(fā)現(xiàn)也預(yù)示了聲音也可能可以通過(guò)真空傳播。“25年前，當(dāng)我在柏克萊進(jìn)行博士生資格考試時(shí)，一位教授問(wèn)我：‘為什么隔著桌子你仍能聽(tīng)到我的聲音?’ 我回答說(shuō)是因?yàn)槁曇羰峭ㄟ^(guò)分子在空氣中振動(dòng)傳播。他追問(wèn)：‘如果我們將這個(gè)房間中所有空氣分子都抽走，你還能聽(tīng)到我說(shuō)話嗎?’我說(shuō)不能，因?yàn)闆](méi)有振動(dòng)的介質(zhì)。今天我們發(fā)現(xiàn)了一種由量子真空漲落所形成，不需要介質(zhì)的新真空傳熱模式，結(jié)果令人驚訝。所以我在1994年的考試是答錯(cuò)了，其實(shí)透過(guò)真空，你可以大叫而別人能夠聽(tīng)到。”張翔教授表示，這一研究成果有望為更多的科研發(fā)現(xiàn)打開(kāi)“大門”。

研究者特地定制了兩張膜的不同尺寸，使它們?cè)诓煌钠鹗紲囟认?#xff08;分別是13.85℃和39.35℃），都能以每秒191600次的頻率振動(dòng)。當(dāng)兩張膜共振時(shí)，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(guò)幾納米。同時(shí)，他們還保證膜非常光滑，表面的凹凸不超過(guò)1.5納米。在實(shí)驗(yàn)中，兩張膜被固定在了真空室的兩側(cè)，他們用加熱器對(duì)其中一張膜加熱，同時(shí)用制冷器給另一張降溫。

為了探測(cè)振動(dòng)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(duì)其照射。經(jīng)歷了多次實(shí)驗(yàn)后，研究團(tuán)隊(duì)確認(rèn)，膜與真空室的接觸面不存在熱傳導(dǎo)，并且兩張膜之間也沒(méi)有借助電磁波的熱輻射發(fā)生。

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

實(shí)驗(yàn)成功后，研究者計(jì)算出實(shí)驗(yàn)中聲子傳遞能量的最高效率：約6.5×10^-21焦耳/秒。按這個(gè)速率計(jì)算，如果想要傳遞一個(gè)可見(jiàn)光光子的全部能量，則需要50秒。盡管這看起來(lái)微不足道，張翔認(rèn)為這仍然是“熱量在兩個(gè)物體之間傳遞的新機(jī)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(dú)特的量子效應(yīng)將為量子熱力學(xué)打開(kāi)新的大門，并為納米技術(shù)的熱管理帶來(lái)實(shí)際意義。雖然這項(xiàng)工作還存在熱量傳遞距離的局限，但是對(duì)于納米尺度的電子元器件的散熱，尤其是芯片、手機(jī)和電腦等電子產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)更小、更輕開(kāi)辟了新的道路。

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