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(dǎo)、熱對(duì)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(xué)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(xiàng)近期發(fā)表于《自然》雜志的實(shí)驗(yàn)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(xué)教科書告訴我們，熱能在固體中的傳導(dǎo)，主要通過聲子（電子或分子）振動(dòng)進(jìn)行。在真空世界里，由于缺少傳遞介質(zhì)，人們一直認(rèn)為熱量是通過輻射而不是聲子傳遞的。

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(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。

研究者特地定制了兩張膜的不同尺寸，使它們?cè)诓煌钠鹗紲囟认拢ǚ謩e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，誤差不超過幾納米。同時(shí)，他們還保證膜非常光滑，表面的凹凸不超過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(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)打開新的大門，并為納米技術(shù)的熱管理帶來實(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、更輕開辟了新的道路。