華人科學家發現第四種傳熱方式!真空聲子傳熱將改寫物理教科書

早在上中學時，我們就知道傳熱一共有三種方式，熱傳導、熱對流、熱輻射。如今，這一教科書上的知識要被改寫了。

近期，一篇發表在《自然》雜誌上的論文讓不少傳熱學、物理學、量子力學等領域的科學家們興奮不已。美國加州大學伯克利分校教授、香港大學校長張翔帶領的研究團隊，首次通過實驗證實了在納米尺度下、發生在真空環境中的聲子傳熱。這宣告著，經過幾十年、幾代科學家的不懈努力，人類終於成功發現並捕捉到了這種全新的傳熱方式。

圖 | 現代電子設備消耗著大量的能量，科學家們一直希望可以找到更加高效的散熱手段。（來源：MIT TECHNOLOGY REVIEW）

而且，這不僅是基礎科學的突破，也將有望對現代集成電路、微加工、高精度顯微鏡、數據儲存等諸多領域的發展產生深遠的影響。

「訓練一個人工智慧模型的碳排放比五輛車還要多」 「比特幣挖礦造成的碳排放相當於拉斯維加斯全城的排放」 「法蘭克福的網絡設備能耗比機場還高」……在數位化、信息化高速發展的今天，以大規模集成電路為代表的信息設備消耗著大量的能量，而這些能量中有一大部分都被用於散熱和冷卻。然而，面對信息技術領域的迅速發展，傳熱學，這個曾經催生了火車、汽車、飛機、火箭、發電廠的「古老」學科，卻遇到了新的挑戰：科學家們就發現，在電子器件常見的納米尺度上，傳熱量有時可以比按照傳統理論計算出來的高出一個數量級還多。

圖 | 美國加州大學伯克利分校教授、香港大學校長張翔。（來源：Wikipedia）

這股「幽靈」一般多出來的熱流，一直困擾著學界。

直到最近，在量子力學的幫助下，人類才終於理解並準確測量出了第四種傳熱方式——真空聲子傳熱。

神秘的熱流

熱量會自發地從高溫物體傳到低溫物體。傳熱學是日常生活中就能觀察到的常識，也是現代工業，尤其是第一次工業革命的基石之一。正是由於傳熱學的發展，蒸汽機、內燃機等設備得以發明，發電廠、汽車、航空發動機等設備得以出現，現代工業社會的面貌得以奠基。

中學的時候我們就學到，傳熱一共有三種形式：

1. 熱傳導：熱量以振動能的形式從一個分子傳遞給另一個分子，比如做飯的時候熱量從鍋底的下表面傳遞到上表面；

2. 熱對流：流體的宏觀運動、混合引起的熱量傳遞，比如沸騰的水把熱量傳遞給在裡面翻滾的餃子；

3. 熱輻射：熱量通過電磁波的形式進行傳遞，比如太陽把溫暖帶給地球。

圖 | 熱傳導——晶體中的聲子傳播會帶來熱量的傳遞。（來源：Wikipedia）

顯而易見，不論是熱傳導還是熱對流，它們的發生都離不開實打實的物質——也就是介質的參與。對於前者來說，熱量只能在物體內部、或者緊密貼合的物體之間傳遞；而對於後者來說，要想傳熱必須有流體分子的存在。

因此，如果兩個物體彼此分離，中間又只有真空的話，那麼在它們之間能夠發生的唯一的傳熱方式就是熱輻射。畢竟，真空裡面什麼都沒有，想把熱量傳遞出去，只能通過不依賴介質就可以傳播的電磁波。科學家們也很早就精確計算出了熱輻射可以傳遞的熱量，用以指導包括鍋爐、暖氣、太空飛行器在內的很多設備的生產製造。

然而，上世紀 60 年代，科學家們在實驗中卻發現了一件神奇的事情。當處於真空中的兩個物體間隔距離非常近、近到 1 微米甚至更小的時候，它們之間的傳熱量，可以比按照熱輻射計算出來的熱流要高得多，甚至可以高出超過一個數量級。

隨著一項又一項的實驗證明了這個現象，科學家們開始意識到，搞不好，除了熱傳導、熱對流和熱輻射，還存在著第四種傳熱方式，而且這種傳熱方式可以在真空中進行。

這第四種傳熱方式，如果存在的話，究竟是什麼呢？

第四種傳熱方式

「遇事不決，量子力學」。面對這種神秘的熱量傳遞，量子力學還真給出了自己的解釋。

對於絕大多數學科來說，真空就是真空，真空意味著這個空間裡面一個粒子都沒有。但是，對於量子力學來說，真空卻一點都「不空」。

量子力學認為，真空中雖然沒有任何的實粒子，卻存在著所謂的「虛粒子」。這些虛粒子以正反粒子的形式成對出現——出現一個正的虛粒子，就會同時出現一個反的虛粒子，然後它們又會在極短的時間內湮滅。好比沸水中翻滾的泡泡，有的出現了，有的卻在消失。真空也是如此，看上去什麼都沒有，但虛粒子卻十分活躍地玩著出現又湮滅的遊戲。

圖 | 真空中的量子漲落，帶來虛粒子的產生和湮滅。（來源：DEREK LEINWEBER）

這不是一個假說，而是實打實地在實驗中觀測到的結果。而虛粒子的不斷產生和湮滅，還會產生力的作用。在真空中，如果把兩個很薄很薄的平板放得很近很近，那麼它們兩個就會被虛粒子推向彼此、最後吸在一起，好像它們之間存在某種神奇的引力一樣。而這種可以穿越真空的作用力，叫做卡西米爾效應（Casimir effect）。

既然卡西米爾力可以把兩塊板子推到一起，那麼，它能不能像晶體裡面的熱傳導一樣，引起離得很近的兩個物體內部分子的振動、從而隔著真空實現聲子傳熱呢？

儘管聽上去有些道理，但到底能不能發生真空聲子傳熱、在多近的距離上可以發生、傳熱的量有多大，不同的科學家給出的估算有著很大的差異。各種計算之間唯一的共性，就是這種傳熱發生在納米尺度上，但有的模型估算出來是幾百納米，有的卻要小得多。

計算尚且如此困難，測量就更加困難了——在納米尺度上，靜電等其它相互作用非常強，會給傳熱的測量帶來很大的幹擾。沒法準確測量，就沒法用準確的物理和數學模型來描述真空聲子傳熱。因此，只有用實驗的方法發現真空聲子傳熱，才能做實這第四種傳熱機制的存在。

精密的實驗

張翔團隊使用了一套十分精密的實驗設備，測量出了發生在兩個平行放置的納米薄膜之間的微小傳熱。

圖 | 精密的實驗設備。（來源：UC Berkley）

這套設備的核心，是兩片厚度只有 100 納米的氮化矽薄膜。這個厚度差不多是一根頭髮絲直徑的 1/500。為了提高測量卡西米爾力的準確度，他們把這兩片薄膜在真空中平行放置，平行到薄膜之間的夾角不超過10-4rad。又把薄膜做到了非常光滑，表面的凹凸連 1.5 納米都不到。

為了探測出薄膜的溫度，他們在薄膜的表面覆蓋了薄薄的一層金反射層，並使用了非常精密的光學儀器來探測薄膜的振動頻率——這和溫度息息相關。

實驗裝置設計完成後，每次測量還需要 4 個小時來進行調試，確保達到實驗所需的溫度等一系列苛刻的條件。

終於，經過反覆的實驗，研究人員看到了自己期待已久的結果：

圖 | 實驗原理：熱端的溫度一開始與冷端不同。隨著距離的靠近，卡西米爾力會讓兩者的溫度趨於一致。（來源：Fong et al., 2019）

當兩個薄膜的距離還比較遠的時候，在熱源的作用下，它們各自的模式溫度（Ti』）都和熱源溫度（Ti）是一致的；而當兩個薄膜的距離越來越近的時候（小於幾百納米），卡西米爾力就會開始發揮作用，讓兩個薄膜的模式溫度（Ti』）發生明顯的變化。

在實驗中，他們發現，儘管冷熱兩個熱源的溫度差高達 25 度，但隨著距離 d 的縮短，真空聲子傳熱卻讓兩個薄膜最後的模式溫度相差無幾。也就是說，只要距離足夠近，熱量就可以穿越真空，從高溫的薄膜傳遞到低溫的薄膜。而這個過程中，熱輻射所能引起的傳熱連 4% 都不到。因此，研究人員得出結論，決定性的傳熱機制就是真空聲子傳熱。

他們還根據量子力學提出了計算真空聲子傳熱的理論計算模型，結果發現與實驗測量的數據非常吻合。

就這樣，繼熱傳導、熱對流、熱輻射之後，第四種傳熱方式橫空出世。

深遠的影響

儘管對於太陽光在宇宙中的傳播、甚至熱量在暖水瓶的真空保溫層中傳遞來講，真空聲子傳熱的熱流在宏觀尺度上的大小可以忽略不計，但在微觀尺度上，理解並掌握這種原理就顯得非常重要了。

對於大規模集成電路來說，現在的晶片工藝已經從 14 納米、7 納米逐漸逼近摩爾定律的物理極限。如果可以在微觀層面上設計出集成電路內部的散熱系統，將有望大幅改進電子設備的熱管理水平，進一步縮小器件體積的同時，顯著降低能耗、減少碳排放。

對於硬碟這樣的磁性存儲設備來說，磁頭和磁碟間的距離也只有幾個納米。如果可以設計出更好的散熱方式，就可以提高數據存儲的密度，進而提高設備的數據儲存容量。這對於大數據等行業來說非常重要。

圖 | 硬碟的磁頭與磁碟。真空聲子傳熱的發現對於一系列領域都將有著深遠的影響。（來源：pixabay）

類似的，在同樣為納米尺度的高精度顯微、光通信、精密加工等領域，更好的散熱設計也將避免熱擾動的影響，提高設備的精確度和緊湊性。

而在更加基礎的科學研究領域，真空聲子傳熱的發現將有助於我們進一步理解自然的奧妙。在最微觀的層面，這項機理的發現把傳熱學從宏觀尺度、微觀尺度進一步帶到了量子尺度；而在最宏觀的層面，宇宙裡的一些大尺度傳熱可能也和這種機理有關。

不論是實際應用還是科學研究，真空聲子傳熱都將為我們開啟全新的大門。

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參考

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11. https://www.zhihu.com/question/24089447

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14.https://medium.com/starts-with-a-bang/this-is-why-quantum-field-theory-is-more-fundamental-than-quantum-mechanics-b37c5e05ed0d

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20.https://www.sciencealert.com/heat-energy-has-leapt-across-an-empty-vacuum-thanks-to-a-weird-quantum-effect

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