生活經(jīng)驗(yàn)和中學(xué)物理知識告訴你，用真空隔熱保溫瓶裝咖啡是個(gè)不錯(cuò)的選擇。真空隔熱效果非常好，熱能很難在真空中流動——如果周圍沒有原子/分子，攜帶熱能的原子/分子就無法傳遞其振動。不過據(jù)美國“物理學(xué)組織”網(wǎng)站12月11日報(bào)道，美國加州大學(xué)伯克利分校（UCB）的研究人員在《自然》雜志撰文稱，量子力學(xué)的奇異性質(zhì)再次顛覆了經(jīng)典物理學(xué)的基本原理。他們發(fā)現(xiàn)，受量子力學(xué)現(xiàn)象“卡西米爾相互作用”（Casimir interaction）影響，熱能跨越了幾百納米的絕對真空。雖然這種相互作用只在微觀尺度上有意義，但它可能會對計(jì)算機(jī)芯片，以及其他納米級電子元件的散熱設(shè)計(jì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
通常情況下，熱能通過原子、分子或者聲子的振動在固體中傳導(dǎo)。而真空中不存在物理介質(zhì)。因此，教科書告訴我們，聲子不能在真空中傳播。UCB機(jī)械工程教授Xiang Zhang說：“令人驚訝的是，我們發(fā)現(xiàn)聲子借助看不見的量子漲落穿越了真空。”
在實(shí)驗(yàn)中，Zhang教授團(tuán)隊(duì)在真空室中設(shè)置了兩個(gè)相距數(shù)百納米的鍍金氮化硅薄膜。這兩層薄膜之間為真空，并且通過兩者的光能可忽略不計(jì)。隨后，當(dāng)他們加熱其中一層薄膜時(shí)，另外一層薄膜也升溫了。論文作者Hao-Kun Li解釋說：“這種新傳熱機(jī)制的發(fā)現(xiàn)為納米尺度的熱管理提供了新視野。這對高速計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲非常重要。我們可以設(shè)計(jì)量子真空來提取集成電路中的熱量?！闭撐淖髡摺CB博士后學(xué)者King Yan Fong補(bǔ)充說：“為何分子振動跨越了真空？其原因在于，根據(jù)量子力學(xué)理論，并不存在真正意義上的真空。真空中存在微弱的量子場波動，這些波動會產(chǎn)生卡西米爾相互作用。因此，當(dāng)一個(gè)物體升溫并開始振動時(shí)，受量子漲落影響，振動是能夠穿過真空傳遞給另一個(gè)物體的?！?/p>
盡管已經(jīng)有理論學(xué)家推測過，卡西米爾相互作用可能有助于分子振動在真空中的傳播。但用實(shí)驗(yàn)證明卻非常困難。為此，Zhang教授等設(shè)計(jì)了超薄氮化硅薄膜以及精確控制、監(jiān)控溫度的方法，并對電磁輻射等干擾條件進(jìn)行了排除。Zhang表示，分子振動是人類能聽到聲音的基礎(chǔ)，因此他們的發(fā)現(xiàn)暗示著聲音也可以在真空中傳播。他說：“在25年前，我在UCB參加博士資格考試時(shí)，一位教授問我‘為什么你能夠聽到桌子這頭我說的話？’我回答說‘因?yàn)槁曇羰峭ㄟ^空氣中振動的分子傳播的?！又鴨?，‘如果把所有的空氣分子都吸出房間，你還能聽到我說話嗎？’我說‘不能。因?yàn)闆]有振動介質(zhì)?！F(xiàn)在，我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)驚人的新模式，受量子漲落影響，熱能也能在真空中傳遞。因此，我在1994年的考試中回答錯(cuò)了?！?/p>
科界原創(chuàng)
編譯：雷鑫宇
審稿：alone
責(zé)編：張夢
期刊來源：《自然》
期刊編號：0028-0836
原文鏈接：
https://phys.org/news/2019-12-energy-space-quantum-weirdness.html
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