量子涨落传热——第4种热传递方式？

最近发表在《自然》杂志上的一项实验首次证明了量子效应可以让声子在真空中传递热量。最后，发现了一种全新的传热方式。

量子涨落使声子能够在真空中传递热量。(照片来源:张翔/加州大学伯克利分校)

还记得热传递的三种方式吗？在物理教科书中，除了热辐射、热传导和热对流，通过声子传递热量的两种方式，不能在真空中发生。但是在量子物理学家看来，真空不是真正的“真空”，而是充满量子波动的。最近发表在《自然》杂志上的一项实验首次证明了量子效应可以让声子在真空中传递热量。最后，发现了一种全新的传热方式。

从很小的时候，我们就被教导不要触摸灶台上的锅，也不要在烹饪时靠近火焰，否则我们会被烫伤。无论是通过直接接触还是通过光辐射，热传递总是会使我们遭受巨大而深刻的痛苦。

在高中物理课上，我们进一步学习了三种热传递方式:通过直接接触的热传导，通过液体或气体介质的热对流，以及光子(电磁辐射的载体)的热辐射。其中，除热辐射外，前两种传热方式不能在真空中进行。

现在，科学家发现了一种全新的热传递方式。他们利用量子力学的奇特性质，在没有光子帮助的情况下，将热量从真空中的一点传递到另一点。

量子涨落传热？

热是物体内部微观粒子不规则运动的表现——当微观粒子运动得更快时，物体的温度也更高。在宇宙尺度上，恒星的热量大部分是通过光子在真空中传递的——这就是太阳如何将热量从1.5亿公里外传递给地球。然而，在地球上，在大多数情况下，热量是通过声子(原子振动的集体激发)接触传递的。

根据以前的观点，如果热量要通过声子传递，两个物体必须接触，或者至少它们之间必须有一种介质，比如空气。如果真空将两个物体分开，热量就不能通过声子传递。热水瓶是根据这样的原理制造的:在热水瓶的外壳和内容器之间抽真空，这样瓶子里的水可以长时间保持温暖。然而，随着量子力学的发展，一些科学家开始推测声子可能在真空中传递热量。这个猜想是基于一个不可思议的事实:从量子力学的角度来看，没有真空。

根据量子力学的观点，宇宙本质上是模糊的。例如，即使你尽了最大努力，你也不能同时确定一个亚原子粒子的动量和位置。这种不确定性的后果是，真空从来不是完全空的，而是充满了量子波动——所谓“虚拟粒子”的不断出现和消失。

几十年前，科学家发现虚拟粒子不仅存在于理论上。事实上，它们产生的力可以被检测到。例如，卡西米尔效应——这种效应指的是当两个物体被置于近距离的真空环境中时，它们之间的轻微吸引力。例如，如果你把两个镜子面对面地放在真空中，虚拟光子会不断地出现和消失，它产生的力会弯曲镜子的表面。

这一现象启发物理学家认为，如果这些瞬态量子波动能够产生真正的力，那么它们也可能产生其他效应——比如在没有热辐射的情况下传递热量。

为了理解声子如何通过量子涨落传递热量，让我们假设真空中有两个不同温度的物体。高温物体中的声子可以将热量传递给真空中的虚拟粒子，进而将热量传递给低温物体。如果我们将两个物体视为振动原子的集合体，那么虚拟粒子就像弹簧一样，将一个物体的振动传递给另一个物体。

帝国理工大学的物理学家约翰·彭德里(他没有参与这项研究)说，“这些问题在过去十年里一直有争议”，比如量子涨落是否真的能实现真空中声子的热传递，如果能，它们的效率有多高。不同的理论物理学家有非常不同的估计，因为计算过程非常困难。“他解释说，总的来说，以前的研究预测，只有当两个物体之间的距离达到纳米级时，才能观察到这种效应。然而，在如此短的距离上，两个物体之间的静电相互作用或其他纳米尺度的相互作用会产生强烈的干扰，因此很难观察到声子传热效应。

一种新的传热机理

在这篇最新的论文中，加州大学伯克利分校的张翔带领团队进行了实验，以实现数百纳米尺度的声子传热。他们使用了两层氮化硅薄膜，每层只有100纳米厚。膜中的振动原子使每个膜以一定的频率来回振动，因此当温度变化时，膜的运动模式也会改变。这种薄膜又轻又薄，所以当一块的能量影响另一块的运动时，研究人员可以很容易地观察到这种影响。

实验设备图。(照片来源:张翔/加州大学伯克利分校)

张翔的团队意识到，如果两部电影的尺寸相同但温度不同，它们会以不同的频率振动。因此，研究人员特别定制了两种不同尺寸的薄膜，使它们在不同的起始温度(13.85℃和39.35℃)下每秒能振动191600次。当两个膜共振时，能量可以迅速交换。

此外，研究人员确保这两层薄膜相互平行，误差不超过几纳米。同时，它们还确保薄膜非常光滑，表面粗糙度不超过1.5纳米。在实验中，两层薄膜固定在真空室的两侧。他们用加热器加热其中一个薄膜，用冰箱冷却另一个薄膜。为了检测振动频率，即温度的变化，两个膜的表面覆盖有像蜘蛛网一样薄的金反射层，并用弱激光照射。经过多次实验，研究小组证实，在膜和真空室之间的接触表面没有热传导，并且两个膜之间没有电磁波产生的热辐射。

张翔说:“这个实验对温度、距离和校准的控制精度有极高的要求。我们曾经试图在夏天进行这个实验，结果受到实验室室温上升的影响。此外，为了消除噪声，测量本身需要很长时间，每个数据点需要测量四个小时。”

最后，研究小组发现，当两层薄膜之间的距离小于600纳米时，它们的温度会发生变化，这种变化无法用其他理论来解释。当距离小于400纳米时，热交换速率足以使膜的温度发生显著变化。

实验成功后，研究人员计算出实验中声子能量转移的最高效率:约6.5×10-21焦耳/秒。以这种速度，需要50秒来转移可见光子的全部能量。虽然这看起来微不足道，但张翔认为这仍然是“两个物体之间热传递的新机制”。

更多应用场景？

张翔认为，原则上，恒星也可以通过这种机制加热它们的行星。然而，考虑到它们之间的距离，这种影响的规模可能“非常小”，几乎可以忽略不计。

在我们的生活中，从智能手机到笔记本电脑，几乎所有的电子设备都变得越来越小。这项研究的结果可能有助于工程师解决纳米技术中的发热问题。张翔说:“例如，在硬盘驱动器中，读写头在磁盘表面的移动距离只有3纳米。”。“在如此短的距离内，新发现的热传递效应可能会产生重要影响。在设计磁记录设备时应该考虑到这一点。”

张翔提到，量子涨落不仅仅涉及虚拟光子。除了虚拟光子之外，还有许多其他种类的虚拟粒子，例如虚拟引力子，即重力场的能量。张翔说:“引力场的量子涨落能否在宇宙尺度上触发传热机制是一个有趣的问题，仍有待我们去探索。”

原标题:发现第四种传热方法