瑞恩·鄧肯愣住了。他剛剛完成一項新的實驗， исследуя обычный graphite，也就是鉛筆芯的材料，但結果看起來在物理上是不可能的：熱量通常緩慢擴散，卻以音速穿過石墨傳播。這就像把一壺水放在熱爐子上，不是數著漫長的幾分鐘等待水開始沸騰，而是眼睜睜看著它幾乎瞬間沸騰。
難怪鄧肯，這位麻省理工學院的研究生，簡直不敢相信自己的眼睛。為了確保自己沒有犯錯，他對實驗裝置中的所有東西進行了四重檢查，再次運行了實驗，並休息了一下以調整心態。“我試圖睡一會兒，因為我知道幾個小時後才能知道實驗是否成功，但我發現自己很難在晚上平靜下來，”他回憶道。第二天早上鄧肯的鬧鐘響起時，他穿著睡衣跑到電腦前，處理了新的測量資料，卻得到了相同的結果：熱量仍然以不可能的速度移動。
鄧肯和他的同事上週在《科學》雜誌上發表了他們的研究結果。這種被稱為“第二聲”的現象讓物理學家們處於一種欣喜若狂的狀態——部分原因是它可能為先進的微電子技術鋪平道路，但主要是因為它太過於奇異。
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為了理解原因，想想熱量是如何在空氣中傳導的。它透過分子傳遞，分子不斷地相互碰撞並將熱量向各個方向散射——向前、向側甚至向後。這種根本的低效率使得傳導熱相對遲緩（相比之下，輻射熱可以以光速作為紅外輻射傳播）。同樣的遲緩性也適用於熱量在固體中移動的情況。在這裡，聲子（聲學振動能量包）像空氣中的分子一樣攜帶熱量，使其向各個方向散射並緩慢擴散。“這有點像，如果你把一滴食用色素滴入水中，它會擴散開來，”鄧肯在麻省理工學院的導師基思·納爾遜說。“它不會像箭一樣直線地從你滴入的地方移開。”但這正是鄧肯的實驗所表明的。在第二聲中，聲子的反向散射被大大抑制，使得熱量能夠向前射出。“這就是波動運動的表現方式，”納爾遜說。“如果你在游泳池裡，你發射一個水波，它會離開你所在的位置……但這對於熱量的表現來說是不正常的。”
而且在大多數情況下，它確實不是這樣。第二聲最早在 75 年前的液態氦中被探測到，後來在三種固體中也被觀察到。“早期的所有跡象都表明，這是一種真正侷限於極少數材料且僅在極低溫度下發生的現象，”納爾遜說。因此，科學家們認為他們已經走到了盡頭。“除了一個科學論斷之外，[第二聲]可能是什麼，這一點不是很清楚，”洛桑瑞士聯邦理工學院的材料科學家尼古拉·馬紮裡說，他沒有參與這項研究。“因此，整個領域沉寂了很多年。”
但是，數值模擬的顯著改進幫助該領域在大約五年前復甦——使科學家們認識到這種現象可能更普遍。例如，麻省理工學院的工程師陳剛能夠預測，第二聲可能在相當溫和的溫度下在石墨中可見。這一預測令鄧肯感到振奮，他儘快對其進行了測試——一旦結果被證明如此違反直覺，最終將他其他的追求擱置一邊。
首先，鄧肯使用兩束交叉的雷射束將熱量沉積到石墨樣品中，以建立干涉圖案——明暗交替的區域，對應於碰撞光波的波峰和波谷。一開始，波峰加熱石墨，而波谷保持涼爽。但是，一旦鄧肯關閉雷射器，隨著熱量從熱波峰流向冷波谷，圖案將開始緩慢減弱。一旦整個樣品達到均勻的溫度，實驗就會結束。或者至少通常情況下是這樣。但是，當雷射停止照射時，石墨有其他的打算，繼續允許熱量流動，直到熱波峰變得比波谷更冷。這很像爐灶面在您關閉它的瞬間變得冰冷，而不是逐漸冷卻到環境溫度。“這很奇怪，”納爾遜說。“熱量不應該這樣做！”
而且它當然不應該在如此高的溫度下這樣做。馬紮裡和陳剛幾乎同時預測了這一現象，因此他相當確信它將被證明是有效的。即便如此，他不太確定在預見的高溫下是否會觀察到第二聲。“如果你問我是否願意用我的抵押貸款來賭這種效應的存在，我會說是的，”馬紮裡說。“但問題始終在於它發生在 100 開爾文、20 開爾文還是 0.1 開爾文？”鄧肯的實驗在 120 開爾文下發現了這種效應——比之前的測量值高出 10 倍以上。“以前沒有人認為你真的能夠在如此高的溫度下做到這一點，”哈佛大學技術和公共政策研究教授文卡特什·納拉亞納穆爾蒂說，他沒有參與這項研究。“從這個意義上說，它打破了一些傳統觀念。”
這也表明，這一發現未來可能會找到實際應用。不僅溫度比之前研究結果所需的低溫冷卻實用得多，而且石墨是一種常見的材料——這兩個特點可能有助於工程師克服當今微電子技術中令人望而生畏的熱管理問題。試想一下，如果熱量以音速迅速散去，材料和裝置就能更快地冷卻。這樣的壯舉肯定能讓工程師們製造出更小、更高效的微電子產品。考慮到這一點，納拉亞納穆爾蒂（他在 1968 年至 1987 年在 AT&T 貝爾實驗室工作期間研究過第二聲）懷疑該領域很快將再次蓬勃發展。“如果我還在貝爾實驗室，我會讓人們對此進行實驗，因為它在未來 10 年、15 年內將非常重要。”