從小到大,老師和課本告訴我們,熱量只有三種傳遞方式:通過相互接觸的熱傳導、通過氣體液體的熱對流、通過光子的熱輻射。我們對此也沒有過多懷疑,因為細想周圍世界,無論是大地上第一縷陽光帶來的熱量,還是冬夜裡享受空調吹出的暖風,又或者是相互依靠的肩膀,我們感受到的溫暖似乎只有通過這三種方式來實現。不過,科學從未停下腳步,也永遠都在發現未知,這不,《自然》上發表的一篇論文似乎揭示了大自然還有第四種熱量傳遞方式——量子漲落傳熱。
熱量其實是物體內部粒子無序運動的表現,粒子運動的越活躍,物體的熱量也越高。宇宙空間中,熱量大多通過星體間光子的運動來傳遞,而我們生活日常中,熱量大多通過接觸來傳遞。隨著量子力學的發展,有科學家認為還有第四種熱量傳遞方式,量子漲落的熱傳遞。普通的接觸傳熱是通過聲子來傳遞,而聲子在真空中也能傳遞嗎,如果能,那麼是否意味著這是第四種熱傳遞方式?對於量子力學來說,是可以的。因為量子力學不認為宇宙中有完完全全的真空,所謂的真空其實還存在著一些虛粒子。
虛粒子並不是物理學家引出來方便計算的虛假粒子,而是真實存在、可以測量的粒子,科學家認為,虛粒子是承載著四種基本力的粒子,宇宙的能量總值在短時間是起伏的,產生這種能量起伏的粒子就是虛粒子,虛粒子的不斷出現和消失也就是所謂的量子漲落。因為這種量子不確定性對觀測造成的影響,使得目前人類永遠無法看清遙遠的宇宙,即宇宙是模糊的。
如果在真空中放置兩塊很平的東西,虛粒子會使它們表面相互彎曲,量子漲落除了造成這個影響,還有其他什麼效果呢?科學家認為可以通過它來實現第四種方式的熱量傳遞。舉個例子,在沒有熱輻射的真空情況下,如果有個高溫物體和一個低溫物體,虛粒子會接收高溫物體的熱量,然後傳給低溫物體,如同一個彈簧一樣,實現這種震動聲子的傳遞。
加州大學伯克利分校的張翔團隊就做了一個實驗,實現了納米尺度下的量子漲落傳熱。他們藉助極薄的兩片氧化矽膜,觀察它們相互之間的振蕩頻率影響,這種溫度改變後的膜的振頻改變現象很容易就觀測出來了。這兩片膜處在真空室內,尺寸幾乎一樣,表面極為光滑,距離也非常近,但沒有接觸,二者在不同溫度條件下都實現了熱量交換。這項實驗的要求十分精細,結果發現,兩片膜在400納米之內距離時,熱量交換比較明顯。
這項實驗發表在《自然》上,科學家表示,宇宙星體間也通過這第四種方式傳熱,但是距離太過遙遠,所以效果微乎其微,只有在納米尺度上,熱量交換才表現得較為明顯,因此它或許可以幫助解決電子設備的發熱問題,值得期待。