熱在真空環境下很難被傳遞，這是經典物理學中的一個基本概念，在中學物理課上，我們學習了熱量的3種傳遞方式：通過直接接觸傳遞熱量的熱傳導、通過液體或氣體介質傳熱的熱對流，以及由光子（電磁輻射的載體）傳熱的熱輻射。其中，除了熱輻射，前兩種熱傳遞方式都無法在真空中進行。現在，第4種熱傳遞方式被發現了，而教科書也會改寫。在量子物理學家看來，真空并不是一片真正的“虛空”，而是充滿了量子漲落。

香港大學校長張翔教授帶領的加州大學伯克利分校科研團隊的最新研究顯示，熱能可以跨越幾百納米的完全真空空間。這一成果，不僅是對經典物理學的顛覆，更將對計算器芯片和其他在設計上以散熱為關鍵考慮的納米級電子組件產生深遠的影響，對于高速計算器和大數據存儲的發展也非常重要。這項極具開創性的研究結果日前在《自然》雜志發表。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1800-4

1948年，荷蘭物理學家Hendrik Casimir（亨德里克·卡西米爾）基于量子力學提出 “凱西米爾效應”，預測即使在沒有物質存在的真空里面，仍然能發生能量漲落。也就是說，即便是在真空中，電磁場的量子波動也會引起聲子耦合，從而促進熱傳遞。有鑒于此，現任香港大學校長張翔教授所帶領的加州大學伯克利分校的研究團隊對此進行了實驗驗證，證明了完全真空隔開的兩個物體之間的量子波動可引起熱傳導，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。

張翔教授是美國國家工程院院士、中國科學院外籍院士。他說，由于分子振動也是我們聽到聲音的基礎，這一發現也預示了聲音也可能可以通過真空傳播。“25年前，當我在柏克萊進行博士生資格考試時，一位教授問我：‘為什么隔著桌子你仍能聽到我的聲音?’ 我回答說是因為聲音是通過分子在空氣中振動傳播。他追問：‘如果我們將這個房間中所有空氣分子都抽走，你還能聽到我說話嗎?’我說不能，因為沒有振動的介質。今天我們發現了一種由量子真空漲落所形成，不需要介質的新真空傳熱模式，結果令人驚訝。所以我在1994年的考試是答錯了，其實透過真空，你可以大叫而別人能夠聽到。”張翔教授表示，這一研究成果有望為更多的科研發現打開“大門”。

研究者特地定制了兩張膜的不同尺寸，使它們在不同的起始溫度下（分別是13.85℃和39.35℃），都能以每秒191600次的頻率振動。當兩張膜共振時，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，他們還保證膜非常光滑，表面的凹凸不超過1.5納米。在實驗中，兩張膜被固定在了真空室的兩側，他們用加熱器對其中一張膜加熱，同時用制冷器給另一張降溫。

為了探測振動頻率，也就是溫度的變化，兩張膜的表面都覆蓋了薄如蛛網的金反射層，并用微弱的激光對其照射。經歷了多次實驗后，研究團隊確認，膜與真空室的接觸面不存在熱傳導，并且兩張膜之間也沒有借助電磁波的熱輻射發生。

最終，研究團隊發現，當將兩張膜的距離低于600納米時，它們的溫度就發生了變化，并且該變化無法用其他理論解釋。當相距不足400納米時，熱交換的速率足夠讓膜的溫度發生明顯變化。

實驗成功后，研究者計算出實驗中聲子傳遞能量的最高效率：約6.5×10^-21焦耳/秒。按這個速率計算，如果想要傳遞一個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，張翔認為這仍然是“熱量在兩個物體之間傳遞的新機制”。

這一現象足以證明，熱能至少能在真空中傳遞數百納米的距離，顛覆了經典的傳熱理論。這一發現揭示獨特的量子效應將為量子熱力學打開新的大門，并為納米技術的熱管理帶來實際意義。雖然這項工作還存在熱量傳遞距離的局限，但是對于納米尺度的電子元器件的散熱，尤其是芯片、手機和電腦等電子產品實現更小、更輕開辟了新的道路。

來源：深圳商報、科學解碼、材料科學與工程公眾號