真空竟能熱傳導，甚至能傳播聲音！華人團隊新研究登上Nature
波能在真空中傳播嗎
魚羊 栗子 曉查 發自 凹非寺
量子位 報道 | 公眾號 QbitAI
現在，聲音不能在真空中傳播的認知，很可能要被打破了。
UC伯克利的華人科學家們發現，兩片金屬之間即使是真空，也可以傳導熱量和聲音。
他們用實驗證明了：熱量可以跨越幾百奈米的完全真空，從一片金屬傳導到另一片金屬上。這一發現未來在可能在晶片散熱設計中發揮重要的作用。
眾所周知，熱傳導本質是分子之間相互傳遞動能，而真空中沒有任何原子分子。所以人們一直認為，真空中是不存在熱傳導的，傳遞熱量只能像太陽那樣熱輻射才行。
我們使用的保溫杯就是利用了這一原理，把夾層抽成真空，從而阻止了熱量的傳導。
但這一登上
Nature
的研究顛覆了古典物理學的基本原則。
論文通訊作者張翔教授還表示，由於分子振動也是聲音傳播的基礎，因此這一發現暗示了聲音也可以透過真空傳播。
對於真空能傳遞熱量和聲音這件事情，早在幾十年前就已經做出預測。
真空也會產生壓力
1948年，一位名叫
卡西米爾
的荷蘭物理學家預測，在真空中的兩塊中性的金屬板會受到壓力的作用而相互靠近。
當金屬板的距離縮小到10奈米，也就是大約100個原子直徑時，真空施加的壓力將會達到1個大氣壓。
十年後，他的預言得到了實驗驗證。
為何真空會產生壓力呢？“真空”真的是空無一物嗎？量子力學不這麼認為。
量子力學認為，一個物體的位置和速度不可能同時測準，也就是說物體不可能完全靜止下來（否則速度精確為零）。這也就意味著，即使處在最低能量的狀態，能量也不可能為零。
對於電磁波也是一樣，量子場論指出，即使一個空間中沒有任何原子、沒有光，但其中仍然存在一些量子場的波動。
就好像有無數彈簧和小球充滿了我們所在的空間，而且在不停地振動。這種現象被物理學家叫做
量子漲落
。
一般情況下，這些振動產生的效應是相互抵消的，但是當空間中加入金屬板後，一切都變得不一樣了。
兩個非常平滑的金屬板相互靠近時，金屬板之間因量子漲落產生的電磁波會受到限制，只有一些特殊的波會存在，它們在金屬板表面處的振幅必須為0。
而在金屬板外，電磁波不會受到這樣的限制，因此外部存在的電磁波模式會多於內部。
電磁波的照射，本質上就是光子打在金屬板上，會產生壓力。
外面的電磁波模式更多，產生的壓力也更大，所以會產生一個總體向內的壓力。
這一物理現象被稱為
卡西米爾效應
，真空產生的力也被叫做
卡西米爾力
。
壁虎的腳能粘到牆上，就是卡西米爾力宏觀體現的一個例子。
但是這種力隨著距離的增加而迅速下降，只有在亞微米的距離上才能觀測到。直到奈米技術的發展才讓觀測卡西米爾力成為可能。
除了宏觀可見的壓力，卡西米爾力也會附帶產生其他物理現象，比如不借助熱輻射，就是可以在兩個不接觸的物體之間傳遞熱量。
真空熱傳導
熱量，其實就是物體內部原子振動，物理學家把這種原子的集體振動叫做
聲子
。聲子不是真實的粒子，只是描述原子振動模式的一種“準粒子”。
在這些聲子的作用下，物體的表面會隨著時間而起伏。當兩個物體相互靠近時，由於第一個物體表面的起伏，第二個物體因受到卡西米爾力的作用，也會同樣起伏。
因此，聲子就這樣穿過真空，傳輸到了第二個物體上。
聲子是熱量的載體，當卡西米爾力將聲子透過真空間隙傳遞時，熱量也會同時被傳遞過去。
真空漲落產生的電磁波（也就是光子）就像彈簧一樣把兩個物體連線起來。較熱物體中的聲子可以將熱能傳遞給光子，然後光子繼續將能量傳遞給較冷物體。
原則上，太陽產生的熱量也會透過這種方式傳遞給地球，但是日地距離太遠了，主要的熱量還是透過太陽光來傳遞。
當兩者距離很小時，卡西米爾效應產生的熱傳導將超過熱輻射，佔據主導地位。
這種由卡西米爾力傳導熱量的現象，早在2011年就已經被理論模型所預測，但是這種效應太微弱了，很容易被其他現象掩蓋。
現在，加州大學伯克利分校的科學家們，透過實驗精確測量了這種傳熱模式。
張翔團隊和花費了
四年
的時間，才完成了實驗的設計和測量。
實驗對溫度、距離和對齊方式的要求非常苛刻。炎熱的天氣會使實驗室升溫，在夏季無法進行實驗。此外，測量本身要花費很長時間才能消除噪聲，測量每個資料點都需要花費四個小時。
真的可以
要證明真空中能實現熱傳導，團隊在真空環境裡放了兩片氮化矽膜，它們之間相距幾百奈米。
兩片氮化矽膜的尺寸不一樣，一片是330×330微米，另一片是280×280微米，但厚度都是0。1微米。
為了產生卡西米爾效應，科學家在每片氮化矽膜的兩面都
鍍了金
（75奈米） ，在真空中反射電磁波。
兩片薄膜之所以面積不一樣，是為了讓二者在不同的溫度下有相同的振動頻率，讓兩片薄膜達到工程，更高效地交換能量。
另外，兩側還要用鐳射干涉技術來測量膜表面的分子熱運動。
既然加了鐳射，就要避免熱光加熱 （Thermo-Optical Heating） 產生的影響，最大程度保證溫度的升高就是來自真空熱傳導。於是，團隊用最低功率的鐳射，以20dB的信噪比解決了基本頻率下的熱機械噪音。
要證明熱傳導真的發生，只要加熱其中一片氮化矽膜，看另外一片有沒有被加熱。
結果發現，另一片氮化矽膜真的被加熱了，因為膜兩側出現了溫度差。在這個過程中，熱輻射發出的熱量相比熱傳導，可以忽略不計。
傳輸熱量的多少，就與兩側的溫度有關。根據熱傳導定律，溫度差與兩個相互作用的膜之間的傳熱量成正比。
研究人員測量了在不同距離真空間隙的條件下，膜之間傳遞的熱量。他們發現測量結果準確地符合了卡西米爾效應傳熱的理論估計值。
至於溫度是怎樣測定的，團隊依靠聲子模式 （Phonon Modes） 的熱布朗運動，來量化它們的溫度變化。
熱布朗運動的測量，可以與膜表面的原子溫度關聯起來，所以也可以用作為衡量溫度的工具。
他們發現，當膜之間的距離小於600奈米時，開始表現出其他現象無法解釋的溫度變化。在400奈米以下，熱交換速率足以使兩片膜很快達到幾乎相同的溫度。
研究人員由此計算出，大約需要50秒時間，才能將能量轉移到一個可見光子中。這個數字看似微不足道，但張翔指出，它仍然構成了“物體之間熱量傳遞的新機制”。
研究意義
對於這項研究突破，論文共同一作李昊坤錶示：
新傳熱機制的發現，為奈米級熱管理開創了前所未有的機會，這對於高速計算和資料儲存非常重要。
現在，我們可以設計量子真空來提取積體電路中的熱量了。
也就是說，對於受散熱問題制約的計算機晶片及其他奈米級電子元件的設計工作而言，這一新的發現可能會產生深遠的影響。
隨著電子裝置尺寸變得越來越小，這一發現可能讓硬體工程師來設計奈米尺度下中的散熱。我們的硬碟就可能用到這項技術，在機械硬碟中，讀寫磁頭到盤面的距離僅為3奈米。
還有網友認為，這樣效應對微機電系統（MEMS）的設計也有重要意義：
根據維基百科，在10nm的間隔中，卡西米爾效應產生的壓力相當於1個大氣壓。這是超微米尺度上的主要作用力。揭開這種力量的面紗將會幫助MEMS進一步小型化。
還有網友補充說，想來透過光刻技術製造各種尺寸晶片所需的光頻率，與卡西米爾效應中的截止頻率之間存在著對應關係。
而對於論文作者提到的“暗示聲音也可以透過真空傳播”這一點，有網友說道：
這是一個很棒的實驗。這下，那些因為給太空飛船的引擎配上了音軌而被嘲笑的特效師們要平反了，哈哈哈
研究中另一個有趣的實驗，是利用真空將不同的導熱體分開。這或許可以造出小規模的熱泵。
不過也有網友指出，聲音的音量呈指數衰減，因此在真空中聽到聲音的前提條件是，得像本實驗中的氮化矽膜那樣靠得非常近（0。0004毫米）。
華人團隊
這篇Nature論文的研究團隊，是全華班陣容，來自UC伯克利張翔教授的研究小組。
論文有兩位共同一作。
一位是King Yan Fong，博士畢業於耶魯大學，現為UC伯克利的博士後研究員。
另一位是李昊坤，湖南衡陽人，2009年從湖南師大附中畢業，因獲全國中學生物理競賽一等獎而保送至北京大學。後於UC伯克利獲工程與應用科學博士學位，2019年畢業。
論文通訊作者，是香港大學校長、中國科學院外籍院士、美國國家工程院院士張翔。
張翔教授生於江蘇南京，本碩畢業於南京大學，1996年獲UC伯克利機械工程系博士學位。現在，他也擔任著UC伯克利特聘教授兼NSF奈米科學與工程中心（NSEC）主任，勞倫斯·伯克利國家實驗室主任等職務。
論文的其他幾位作者，分別是本科畢業於西安交通大學，後於北京師範大學獲博士學位的Rongkuo Zhao。2017年，他從UC伯克利博士後出站，現為光刻巨頭ASML高階產品工程師。
Sui Yang，博士畢業於UC伯克利，師從張翔教授。現為NSEC研究科學家。
Yuan Wang，本科畢業於南京大學，後於加州大學洛杉磯分校獲碩士學位，2009年從UC伯克利博士畢業。現於NSEC工作。
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Nature論文：
https：//www。nature。com/articles/s41586-019-1800-4