在生命早期，大多數孩子瞭解到觸控滾燙的爐子，甚至靠近熊熊燃燒的火焰都會被燙傷。無論是透過直接接觸還是光線在空間中快速傳播來傳遞，關於熱傳遞的通常痛苦的教訓既直觀又令人難忘。然而，現在，科學家們揭示了一種奇怪的新方法，熱量可以從 A 點傳遞到 B 點。透過空曠空間的奇異量子力學特性，熱量可以在沒有光線幫助的情況下從一個地方傳遞到另一個地方。
一般來說，熱量是粒子運動產生的能量——它們移動得越快，溫度就越高。在宇宙尺度上，大多數熱傳遞透過真空，透過恆星發出的光子或光粒子發生——這就是太陽溫暖我們星球的方式，儘管它距離我們約 1.5 億公里。在地球上，熱流通常更密切，透過材料之間的直接接觸發生，並由稱為聲子的原子波狀集體振動來輔助。
長期以來，人們認為聲子無法透過空曠空間傳遞熱能；它們需要兩個物體接觸，或者至少與合適的介質（如空氣）相互接觸。這個原理就是保溫瓶如何保持其內容物冷熱的原因：它們使用包含真空的壁來隔離內部腔室。然而，多年來，科學家們一直在推測聲子可能透過真空傳遞熱量的可能性，他們被量子力學規定空間永遠不可能真正空無一物的驚人事實所吸引。
支援科學新聞事業
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞事業 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保未來能夠繼續講述關於塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事。
量子力學表明宇宙本質上是模糊的——例如，無論人們多麼努力，都永遠無法同時精確地確定亞原子粒子的動量和位置。這種不確定性的一個結果是，真空永遠不會完全空無一物，而是充滿了量子漲落——所謂的虛粒子不斷地忽隱忽現。“真空永遠不是完全的真空，”加州大學伯克利分校的物理學家、新的聲子熱傳遞研究的資深作者張翔說，該研究於 12 月 11 日發表在《自然》雜誌上。
幾十年前，科學家們發現虛粒子不僅僅是理論上的可能性，而且可以產生可檢測到的力。例如，卡西米爾效應是在真空中彼此靠近的某些物體（例如兩個緊密放置在一起的鏡子）之間觀察到的吸引力。這些反射表面會移動，是因為虛擬光子忽隱忽現產生的力。
如果這些短暫的量子漲落能夠產生真實的力，理論家們猜想，也許它們也可以做其他事情——例如在沒有熱輻射的情況下傳遞熱量。為了設想透過量子漲落的聲子加熱可能如何工作，請想象兩個溫度不同的物體被真空隔開。較熱物體中的聲子可以將熱能傳遞到真空中的虛光子上，然後虛光子可以將這種能量傳遞到較冷的物體。如果兩個物體本質上都是抖動原子的集合，那麼虛粒子可以像彈簧一樣，幫助將振動從一個物體傳遞到另一個物體。
關於量子漲落是否真的可以幫助聲子透過真空傳遞熱量的問題，“理論家們已經爭論了大約十年左右，有時對這種效應的強度有非常不同的估計——計算非常棘手，”倫敦帝國學院的物理學家約翰·彭德里說，他沒有參與這項研究。他解釋說，總的來說，之前的這項工作預測，研究人員只能在被幾個奈米（十億分之一米）或更小的距離隔開的物體之間看到這種效應。彭德里說，在如此微小的距離下，物體之間的電相互作用或其他奈米級現象可能很容易掩蓋這種聲子效應——使其非常難以測試。
為了迎接這一挑戰，張翔和他的同事們花費了四年時間進行艱苦的試驗和錯誤嘗試，以改進實驗，看看他們是否能夠在更大的真空距離（數百奈米的尺度）上實現聲子熱傳遞。例如，實驗涉及兩個氮化矽薄膜，每個薄膜的厚度約為 100 奈米。這些薄片的超薄和輕巧的特性使得更容易觀察到當一個薄片的能量對另一個薄片的運動產生影響時。薄片中振動的原子使每個薄膜以取決於其溫度的頻率來回彎曲。
張翔的團隊意識到，如果薄片尺寸相同但溫度不同，它們將以不同的頻率顫動。考慮到所有這些細節，科學家們調整了薄膜的尺寸，使得即使它們最初處於不同的溫度（分別為 13.85 攝氏度和 39.35 攝氏度），它們都以大約每秒 191,600 次的頻率振動。以相同頻率共振的兩個物體傾向於有效地交換能量——共振的一個眾所周知的例子是，當歌劇演員發出正確的音符時，會導致香檳酒杯共振並破碎。
此外，研究人員確保薄膜在彼此完全平行的幾奈米範圍內，所有這些都是為了幫助精確測量一個薄膜可能對另一個薄膜施加的力。他們還注意使薄膜非常光滑，表面變化不超過 1.5 奈米大小。一個薄膜被夾在真空室的表面上，與加熱器連線，而另一個薄膜與冷卻器連線。兩者都塗有一層極薄的金層以提高反射率，並在微弱的雷射束中照射以檢測它們的振盪——從而檢測它們的溫度。在一次又一次的試驗中，科學家們檢查以確保薄膜不會透過它們被夾住的表面或透過真空中的任何可見光或其他電磁輻射的發射來交換熱量。
“這項實驗需要非常靈敏地控制溫度、距離和對準，”張翔說。“我們曾經在夏天遇到實驗執行問題，因為炎熱的天氣使實驗室升溫。此外，為了消除噪聲，測量本身需要很長時間——每個資料點都需要四個小時才能獲得。”
最終，張翔和他的同事們發現，當薄膜之間的距離小於 600 奈米時，它們開始表現出其他無法解釋的溫度變化。在 400 奈米以下，熱交換速率足以使薄膜具有幾乎相同的溫度，這證明了這種效應的效率（或缺乏效率）。有了成功的實驗結果，研究人員能夠計算出他們觀察到的聲子透過真空傳遞的最大能量速率：約為每秒 6.5 × 10–21 焦耳。按照這個速率，大約需要 50 秒才能傳遞一個可見光光子的能量。這個數字可能看起來微不足道，但張翔指出，它仍然構成“物體之間熱傳遞的新機制”。
“很高興看到一些實驗資料證實聲子可以跨越間隙，”彭德里說。“這是一個很棒的實驗——我相信是第一個。”
原則上，恆星甚至可以透過這種新發現的機制加熱它們的行星。然而，考慮到所涉及的距離，這種效應的量級將“極其微小”，基本上到了完全微不足道的程度，張翔說。
在離我們更近的地方，隨著從智慧手機到筆記型電腦的一切電子裝置變得越來越小，這些發現可能使工程師能夠更好地管理奈米級技術中的熱量。“例如，在硬碟驅動器中，磁讀/寫頭在磁碟表面上方移動，間隔距離僅為 3 奈米，”張翔說。“在如此短的距離下，新的熱傳遞效應預計將發揮重要作用，因此應在磁記錄裝置的設計中加以考慮。”
張翔指出，量子漲落不僅包括虛光子。還有許多其他型別的虛粒子，包括虛引力子或引力能量包。“引力場的量子漲落是否可能產生在宇宙尺度上發揮作用的熱傳遞機制，這是一個有趣的開放性問題，”張翔說。