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真空能够传递热量

2021-04-09 17:07:19

真空居然能够传递热量!《自然》杂志刊登颠覆教科书的发现!


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。

中学教科书告诉我们,热能在固体中的传导,主要通过声子(电子或分子)振动进行。在真空世界里,由于缺少传递介质,人们一直认为热量是通过辐射而不是声子传递的。

1948年,荷兰物理学家Hendrik Casimir(亨德里克·卡西米尔)基于量子力学提出 “凯西米尔效应”,预测即使在没有物质存在的真空里面,仍然能发生能量涨落。也就是说,即便是在真空中,电磁场的量子波动也会引起声子耦合,从而促进热传递。

有鉴于此,现任香港大学校长张翔教授所带领的加州大学伯克利分校的研究团队对此进行了实验验证,证明了完全真空隔开的两个物体之间的量子波动可引起热传导,这是一种前所未有的热传递方式,也昭示着声音也可能在真空中传播。

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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。

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”。

这一现象足以证明,热能至少能在真空中传递数百纳米的距离,颠覆了经典的传热理论。

这一发现揭示独特的量子效应将为量子热力学打开新的大门,并为纳米技术的热管理带来实际意义。

虽然这项工作还存在热量传递距离的局限,但是对于纳米尺度的电子元器件的散热,尤其是芯片、手机和电脑等电子产品实现更小、更轻开辟了新的道路。


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