真空可以传热吗?最近,科学家们通过一个巧妙的实验,发现了热传递的新方式——真空传“声”,即原子振动能可通过“量子涨落”在真空中传播。这给包括集成芯片散热在内的一些棘手问题提供了解决思路。
量子涨落使得声子可以在真空中传递热量 | 张翔(论文作者)
作者 | 龙浩 微电子学与固体电子学博士
责编 | 高佩雯
冬日里最惬意的事,莫过于沐浴午后暖阳,泡一壶热茶,安静的享受慵懒和难得的慢时光。手握茶杯时,杯壁上数以亿计不停振动的原子通过碰撞,将热量传导到皮肤,这是“热传导”让手心感觉到温暖。科学家们把物体中原子振动的能量载体称作“声子”,换句话说,热传导是由介质中的声子(原子振动)实现的。
开水的热量通过茶杯杯体中的原子振动,即声子传递到人的手上 | pixabay
当水温过高,由茶杯传导到皮肤的剧烈的原子振动会让人感觉烫手。这时,我们需要的是一只真空保温杯,利用真空将保温杯内外壁隔开。由于真空中没有介质,原子振动不复存在(即无法通过声子传递热量)。这样,保温杯外壁的温度就会远低于内壁,不再烫手了 。
你一定会想,难道真空就不能传递热量吗?太阳的热量不就到达地球上了吗?
没错,“热辐射”是热传递的另一种方式,能够在没有介质的真空中通过电磁波传递热量。这正是距离我们1.5亿公里、表面温度大约5500℃的太阳温暖我们的方式。科学家们把电磁波的能量载体称作“光子”,换句话说,热辐射是依靠光子实现的。
太阳的热量通过电磁波,即光子传递到地球上 | pixabay
光子的传输不需要介质,在真空中也能进行。尽管真空保温杯的内壁会向外壁进行热辐射,但是这种光子作用下的导热速率远不及声子作用下的热传导速率,所以真空保温杯的隔热作用依然显著。
这一切仿佛并没有什么问题。可是,让无数科学家都困惑不解的量子力学,却总能给人们带来不一样的观点。
就在上个月,科学家们通过实验证明:在数百纳米的微观尺度(距离)内,真空也是可以传递声子的。并且,通过这种全新方式的热量传递,比热辐射要有效率得多。这是怎么回事呢?
神奇的卡西米尔力:真空可以传递原子振动
早在1948年,荷兰物理学家亨德里克·卡西米尔(Hendrik Casimir)基于量子力学理论,通过计算,提出了一种似乎有违常理的结论:由于一种被称为“量子涨落”(Qua