熱傳遞是自然界再普遍不過的一種現象。從物理課本上我們學到熱傳遞的途徑有三種：熱傳導、熱對流和熱輻射。比如家用的電暖器，我們靠近它就會感到溫暖，這主要是熱輻射在起作用；如果打開電暖器上自帶的小風扇，熱風吹來讓我們感到更加溫暖，這主要是熱對流在起作用；用手摸摸電暖器的外殼，這時感覺到的就是熱傳導了。
熱輻射是電磁波在奔向我們，電磁波可以在真空中傳播，所以熱輻射並不依託於物質載體，而熱對流需要依託空氣，熱傳導需要靠手與電暖器的直接接觸。
宇宙尺度的真空中，熱傳遞必須靠熱輻射，太陽系大大小小的天體，都在圍著太陽烤火。那麼納米尺度呢？除了熱輻射之外，還有沒有其它的傳熱方式呢？
經典力學支配著宇宙空間，量子力學支配著納米世界。量子力學裡有一種「真空不空」的觀念，意思是雖然真空中沒有物質，但是仍有能量漲落，因為即使是真空，也不能阻隔粒子和場之間的相互幹擾。量子漲落會在相互靠近的物體之間產生奇妙的影響，這對科學家來說已經不是新鮮事了，比如，他們可以觀察到一種卡西米爾效應。兩個被真空阻隔的中性原子之間的相互作用力稱為卡米西爾力，當量子漲落引起這兩個原子的電荷密度改變時，卡西米爾效應就產生了。
關於這兩個被真空阻隔的中性原子的故事還遠遠沒有結束。卡西米爾效應發生之後，在電荷力的推動下，這兩個原子之間的相對位置會發生微小的變化。它倆這一動不要緊，周圍其它原子也受到了擠兌，跟著動起來。晶格振動產生聲子，聲子可以傳熱。就這樣，熱突破真空的阻隔傳遞開來。
理論物理學家早已預測了這種由卡西米爾效應促成的熱傳遞現象。然而，想要證實這種理論模型，卻十分困難。近日，物理學家K. Y. Fong 等在國際頂級學術期刊《自然》發表論文，第一次通過實驗證實了這種新的傳熱模式，並且測量了傳遞的熱量與真空間隔距離的關係。
卡西米爾效應只有在極短的距離內表現比較明顯，所以實驗設計在納米尺度上開展。研究人員將兩片直徑為300微米的鍍金氮化矽薄膜放在真空腔體中，這兩片薄膜之間的距離只有幾百納米，他們還設法杜絕了光對傳熱的影響。然後，研究人員加熱其中一片薄膜的同時，測量到另一片薄膜的溫度也會升高。
兩個宏觀物體之間利用卡西米爾效應傳遞的熱量是非常有限的，隨著距離的增大這種效應會迅速減弱。不過，一旦兩個物體之間的距離縮減到納米尺度時，卡西米爾效應熱傳遞的效果則可以與其它傳熱形式媲美。
結語
「第四類熱傳遞」對於納米級器材的性能提升具有重要的意義。散熱一直是制約納米技術的瓶頸之一，許多電子設備用到的微型電路的規模，都受到散熱的制約。如果 「量子冷卻」可以精確測量，並用於納米級器材的設計，或許會給納米技術帶來嶄新的發展機會。
參考資料：Fong, K.Y., Li, H., Zhao, R. et al. Phonon heat transfer across a vacuum through quantum fluctuations. Nature 576, 243–247 (2019)