真空居然能夠傳遞熱量！《自然》雜志刊登顛覆教科書的發(fā)現(xiàn)！

還記得熱傳遞的3種方式嗎？在物理課本上，除了熱輻射，熱傳導、熱對流這兩種通過聲子傳熱的方式，都無法在真空中發(fā)生。但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。

一項近期發(fā)表于《自然》雜志的實驗就首次證明，量子效應可以讓聲子在真空中傳遞熱量。終于，一種全新的熱傳遞方式被找到了。

中學教科書告訴我們，熱能在固體中的傳導，主要通過聲子（電子或分子）振動進行。在真空世界里，由于缺少傳遞介質，人們一直認為熱量是通過輻射而不是聲子傳遞的。

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(fā)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(xiàn)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。

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(wǎng)的金反射層，并用微弱的激光對其照射。經(jīng)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(fā)生。

最終，研究團隊發(fā)現(xiàn)，當將兩張膜的距離低于600納米時，它們的溫度就發(fā)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(fā)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(xiàn)象足以證明，熱能至少能在真空中傳遞數(shù)百納米的距離，顛覆了經(jīng)典的傳熱理論。

這一發(fā)現(xiàn)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(chǎn)品實現(xiàn)更小、更輕開辟了新的道路。