真空竟然也能够传递热能

明曲

改写教科书：真空竟然也能够传递热能

转自： 量子科学

    热量是物体内部微观粒子无规则运动的表现。微观粒子运动越快，则表示物体的温度越高。太阳通过光子在真空中传递，将热量从1.5亿千米外传递至地球。在地球上，热量一般都是以直接接触的方式来传递。

      现在的物理教科书里面，热能传递有三种方式。一是辐射：物体之间利用放射和吸收彼此的红外线，而不必有任何介质，就可以达成温度平衡。二是传导：物体之间直接接触，热能直接以原子振动，由高温处传递到低温处。三是对流：物体之间以流体为介质，利用流体传递热能。热能传递必须要通过某种介质，真空之中没有任何介质，除了辐射的方式，其它方式都无法实现在真空里面传递热能。我们家里的保温壶，运用的就是真空绝热的原理来保温。

      但基于量子物理学观点，真空并不是真正的“虚空”，而是充满了量子涨落。

      量子力学的不确定性原理告诉我们：真空不可能处于空无一物的绝对虚无状态。真空里面充满着量子涨落，“虚粒子”瞬间出现又瞬间消失。真空实质上是一片沸腾的能量海洋。虚粒子不只是存在于理论之中，在卡西米尔效应里面已经得到实验验证。

卡西米尔效应

      于是有科学家猜想：高温物体中的声子可否将热量传给真空中的虚粒子，然后这些虚粒子又将热量传给低温物体？注意，这里提到的“声子”，不能望文生义地理解为“声音粒子”。表征原子集体运动的简谐振子的能量是量子化的，每个振动模式能量的最小单位，被称为”声子”。

      加州大学伯克利分校的张翔带领团队为了验证这个猜想，开展了实验。

      香港大学校长张翔教授带领的加州大学伯克利分校科研团队通过反复实验发现：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。实验成功证实了真空通过虚粒子传递热能的科学猜想。这一研究成果已经发表在《自然》杂志上。

      他们还计算出实验中声子传递能量的最高效率：约6.5×10的-21次方焦耳/秒。

热量在真空中传递（张翔/加州大学伯克利分校）

      这个数量看起来微不足道，但张翔认为这是“热量在两个物体之间传递的新机制”。

      在智能手机芯片里面。这种纳米级技术中的发热问题，就不能被忽略。

      量子真空涨落现象之中，除虚光子，还有许多其他种类的虚粒子，如虚引力子。不过，引力波已经被证实了，但引力子尚未被证实。

      张翔研究团队的这一研究成果，不仅可能在微电子运用领域产生巨大影响，而且还进一步加深了人们对于“真空”的认知。

      真空不空，不存在绝对的虚无。物质和时空，可以相互转化。通过深入对“真空”的性质的研究，我们会越来越明白，量子论描述的微观世界，是越来越实，而不是越来越虚。量子论其实闪耀着辩证唯物主义的光芒。

论文链接：

Phonon heat transfer across a vacuum through quantum fluctuations

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