热辐射热对流热传导(改写教科书第4种热传递方式被发现了)

Posted 2023-06-02

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热辐射热对流热传导(改写教科书第4种热传递方式被发现了)

量子涨落使得声子可以在真空中传递热量。（图片来源：张翔/加州大学伯克利分校）

还记得热传递的3种方式吗？在物理课本上，除了热辐射，热传导、热对流这两种通过声子传热的方式，都无法在真空中发生。但在量子物理学家看来，真空并不是一片真正的“虚空”，而是充满了量子涨落。一项近期发表于《自然》杂志的实验就首次证明，量子效应可以让声子在真空中传递热量。终于，一种全新的热传递方式被找到了。

我们从小就会接受这样的教育：做饭时不要碰灶台上的锅，也不要靠近火焰，不然就会被烫伤。无论是通过直接接触，还是借助光的辐射，热传递总会让我们大吃苦头，并且印象深刻。

在中学物理课上，我们进一步学习了热量的3种传递方式：通过直接接触传递热量的热传导、通过液体或气体介质传热的热对流，以及由光子（电磁辐射的载体）传热的热辐射。其中，除了热辐射，前两种热传递方式都无法在真空中进行。

现在，科学家发现了一种全新的热传递方式。他们利用了量子力学匪夷所思的性质，在不借助光子的情况下，让热量从真空中的一点传到另一点。

用量子涨落传热？

热量是物体内部微观粒子无规则运动的表现——微观粒子运动更快时，物体的温度也更高。在宇宙尺度上，恒星的热量大多借助光子在真空中传递——这正是太阳从1.5亿千米外将热量传递至地球的方式。不过在地球上，多数情况下，热量以接触的方式借助声子（原子振动的集体激发）来传递的。

按照此前的观点，若想借助声子传递热量，那么两个物体必须接触，或者它们之间至少要有空气等介质的存在。如果真空将两个物体隔开，就无法通过声子传递热量了。热水壶就是根据这个原理制造的：热水壶的外壳和内胆之间被抽成了真空，这样瓶里的水就可以长时间保温了。然而随着量子力学的发展，一些科学家开始猜测，声子或许可以在真空中传热。这个猜想基于一个令人难以置信的事实：从量子力学的角度来说，空无一物的真空是不存在的。

根据量子力学的观点，宇宙在本质上就是模糊的。打个比方来说，竭尽所能，你也无法同时确定一个亚原子粒子在某一时刻的动量和位置。这种不确定性的后果就是，真空永远不完全是空的，而是充斥着量子涨落——也就是所谓的“虚粒子”的不断出现和消失。

几十年前，科学家发现虚粒子并不只存在于理论中。事实上，它们产生的力是可以被探测到的。比如卡西米尔效应——这个效应指将两个物体近距离放在真空环境中时，它们之间存在微小的引力。例如，你在真空中把两面镜子面对面放在一起，由于虚光子会不断出现和消失，其产生的力就会使镜子的表面弯曲。

这个现象激发了物理学家的思考，如果这些短暂的量子涨落能够产生真实的力，那么它们或许也能产生其他效果——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热，让我们假设真空中有两个分开放置且温度不同的物体。高温物体中的声子可以将热量传给真空中的虚粒子，然后这些虚粒子又将热量传给低温物体。如果我们将两个物体都视为振动的原子的集合体的话，那么虚粒子就像一根弹簧，将一个物体的振动传给另外一个。

帝国理工大学的物理学家John Pendry(未参与本研究)表示，关于量子涨落是否真的能实现声子在真空中的传热、如果能传热，效率又有多高，“这些问题在最近十年备受争议。不同理论物理学家对此的估算存在很大的差异，因为计算过程非常困难。”他解释道，总的来说，前人的研究预测，只有当两个物体间的距离处于纳米尺度时，这种作用才能被观察到。然而，在那么短的间距下，两个物体间的静电作用或其他纳米尺度的作用会产生很强的干扰，因此要观察到声子的热传递效应非常困难。

热传递的新机制

在这篇最新论文中，为了在几百纳米的尺度下实现声子的传热，加州大学伯克利分校的张翔带领团队开展了实验。他们使用了两片氮化硅薄膜，每片只有约100纳米厚。膜中振动的原子使每张膜都以一定频率前后振荡，因此当温度变化时，膜的运动方式也会发生变化。这种膜又轻又薄，所以当其中一片的能量对另一片的运动产生影响时，研究者可以很容易地观察到这种效应。

实验装置图。（图片来源：张翔/加州大学伯克利分校）

张翔团队意识到，如果两张薄膜的尺寸相同，但温度不同，那么它们振动的频率就会不同。因此，研究者特地定制了两张膜的不同尺寸，使它们在不同的起始温度下（分别是13.85℃和39.35℃），都能以每秒191600次的频率振动。当两张膜共振时，能量就能迅速交换。

另外，研究者确保了两张膜相互平行，误差不超过几纳米。同时，他们还保证膜非常光滑，表面的凹凸不超过1.5纳米。在实验中，两张膜被固定在了真空室的两侧，他们用加热器对其中一张膜加热，同时用制冷器给另一张降温。为了探测振动频率，也就是温度的变化，两张膜的表面都覆盖了薄如蛛网的金反射层，并用微弱的激光对其照射。经历了多次实验后，研究团队确认，膜与真空室的接触面不存在热传导，并且两张膜之间也没有借助电磁波的热辐射发生。

张翔表示：“这项实验对温度、距离和校准的控制精度有极高的要求。我们有一次尝试在夏天进行这个实验，结果受到了实验室室温升高的影响。另外，为了排除噪音，测量本身也花了很长时间，每个数据点都需要测四个小时。”

最终，研究团队发现，当将两张膜的距离低于600纳米时，它们的温度就发生了变化，并且该变化无法用其他理论解释。当相距不足400纳米时，热交换的速率足够让膜的温度发生明显变化。

实验成功后，研究者计算出实验中声子传递能量的最高效率：约6.5×10-21焦耳/秒。按这个速率计算，如果想要传递一个可见光光子的全部能量，则需要50秒。尽管这看起来微不足道，张翔认为这仍然是“热量在两个物体之间传递的新机制”。

更多应用场景？

据张翔介绍，从原理上说，恒星也可以通过这一机制加热其行星。然而，考虑到它们之间的距离，这种效应的规模可能会“非常小”，几乎可以无视。

在我们的生活中，从智能手机到笔记本电脑，几乎所有电子设备都在变得越来越小。而这一研究结果或许能帮助工程师处理纳米级技术中的发热问题。“比如在硬盘驱动器里，读写磁头在磁盘表面移动的间隔只有3纳米”，张翔说，“在这么短的距离内，新发现的热传递作用或许能产生重要的影响。在设计磁性记录装置时，应当考虑到这一点。”

张翔提到，量子涨落不只涉及到虚光子。除虚光子外，还有许多其他种类的虚粒子，如虚引力子，也就是一份引力场的能量。张翔说道：“引力场的量子涨落能否引发宇宙规模的热传递机制是一个有趣的问题，这还等着我们去探索。”

撰文：Charles Q. Choi

编译：张二七

审校：吴非

原文链接：

https://www.scientificamerican.com/article/space-heater-scientists-find-new-way-to-transfer-energy-through-a-vacuum/

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