改写教科书?真空中可以进行热传导、传播声音

作者: 潘羿 来源: 无主界 编辑: 1月29日
所属分类:科技/文教

在笔者之前的文章《“热”究竟是什么?》中,对于“热”本身进行了一些探讨。笔者在文中指出,对于热在真空中的传播只能通过热辐射的方式进行。然而,知识更新的速度很快。前段时间,由华人团队在natural杂志刊登的一篇论文,文中描述的实验验证:“热传导”是可以在真空中传递,甚至声音也能在真空中传播。

真空也会产生压力

1948年,一位名叫卡西米尔的荷兰物理学家预测,在真空中的两块中性的金属板会受到压力的作用而相互靠近。当金属板的距离缩小到10纳米,也就是大约100个原子直径时,真空施加的压力将会达到1个大气压。

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十年后,他的预言得到了实验验证。

那么为何真空会产生压力呢?“真空”真的是空无一物吗?量子力学不这么认为。

量子力学认为,一个物体的位置和速度不可能同时测准,也就是说物体不可能完全静止下来(否则速度精确为零)。这也就意味着,即使处在最低能量的状态,能量也不可能为零。

因此,即使一个空间中没有任何原子、没有光的“真空”中仍然存在一些量子场的波动。就好像有无数弹簧和小球充满了我们所在的空间,而且在不停地振动。这种现象被物理学家叫做量子涨落

一般情况下,这些振动产生的效应是相互抵消的,但是,当两个非常平滑的金属板相互靠近时,金属板之间因量子涨落产生的电磁波会受到限制,只有一些特殊的波会存在,它们在金属板表面处的振幅必须为零。

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在金属板外,电磁波不会受到这样的限制,因此外部存在的电磁波模式会多于内部。由于外面的电磁波更多,产生的压力也更大,所以会产生一个总体向内的压力。这一物理现象被称为卡西米尔效应,真空产生的力也被叫做卡西米尔力

现实生活中,壁虎的脚能粘到墙上,是卡西米尔力宏观体现的一个例子。 壁虎的脚上有数万根刚毛,每一根都极其细小,小到每根刚毛和墙壁间的距离都只有纳米级。

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前面提到过,如果两个板的间距很小,那么卡西米尔效应可以施加非常可观的压力将两个板压在一起。所以,壁虎脚上的刚毛相当于产生了数万组卡西米尔效应,最终将它挂在墙上。通常,壁虎爬墙被解释为是由于刚毛和墙壁之间的范德华力。而范德华力是卡西米尔效应的微观角度描述,是分子尺度的卡西米尔效应,二者等价。

当然卡西米尔力会随着距离的增加而迅速下降,只有在亚微米的距离上才能观测到。因此直到纳米技术的发展才让观测卡西米尔力成为可能。

真空热传导

“热”究竟是什么?》的文章中我们提到过,热量,是物体内部原子振动,物理学家把这种原子的集体振动叫做声子。声子不是真实的粒子,只是描述原子振动模式的一种“准粒子”。

在这些声子的作用下,物体的表面会随着时间而起伏。当两个物体相互靠近时,由于第一个物体表面的起伏,第二个物体因受到卡西米尔力的作用,也会同样起伏。于是乎,声子就这样穿过真空,传输到了第二个物体上。

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在声子传递的过程中,热量也随之进行了传递。当两者距离很小时,卡西米尔效应产生的热传导将超过热辐射,占据主导地位。

这种由卡西米尔力传导热量的现象,早在2011年就已经被理论模型所预测,但是这种效应太微弱了,很容易被其他现象掩盖。现在,加州大学伯克利分校的科学家们,通过实验精确测量了这种传热模式。

实验过程

那么如何证明真空中能实现热传导呢?团队在真空环境里放了两片氮化硅膜,它们之间相距几百纳米。两片氮化硅膜的尺寸不一样,一片是330×330微米,另一片是280×280微米,但厚度都是0.1微米。

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两片薄膜之所以面积不一样,是为了让二者在不同的温度下有相同的振动频率,让两片薄膜达到共振,更高效地交换能量。同时为了产生卡西米尔效应,科学家在每片氮化硅膜的两面都镀了金 (75纳米) ,在真空中反射电磁波。

另外,两侧还要用激光干涉技术来测量膜表面的分子热运动。其目的是避免热光加热 (Thermo-Optical Heating) 产生的影响,最大程度保证温度的升高就是来自真空热传导。于是,团队用最低功率的激光,以20dB的信噪比解决了基本频率下的热机械噪音。

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经过实验,研究人员发现,通过加热其中一片氮化硅膜,另一片氮化硅膜也被加热了,膜两侧出现了温度差。

根据热传导定律,温度差与两个相互作用的膜之间的传热量成正比。研究人员测量了在不同距离真空间隙的条件下,膜之间传递的热量。他们发现测量结果准确地符合了卡西米尔效应传热的理论估计值。

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至于温度是怎样测定的,团队依靠声子模式 (Phonon Modes) 的热布朗运动,来量化它们的温度变化。热布朗运动的测量,可以与膜表面的原子温度关联起来,所以也可以用作为衡量温度的工具。

他们发现,当膜之间的距离小于600纳米时,开始表现出其他现象无法解释的温度变化。在400纳米以下,热交换速率足以使两片膜很快达到几乎相同的温度。

研究人员由此计算出,大约需要50秒时间,才能将能量转移到一个可见光子中。这个数字看似微不足道,但研究人员指出,它仍然构成了“物体之间热量传递的新机制”。

研究意义

对于这项研究突破,论文共同一作李昊坤表示:

新传热机制的发现,为纳米级热管理开创了前所未有的机会,这对于高速计算和数据存储非常重要。现在,我们可以设计量子真空来提取集成电路中的热量了。

也就是说,对于受散热问题制约的计算机芯片及其他纳米级电子元件的设计工作而言,这一新的发现可能会产生深远的影响。随着电子设备尺寸变得越来越小,这一发现可能让硬件工程师来设计纳米尺度下中的散热。我们的硬盘就可能用到这项技术,在机械硬盘中,读写磁头到盘面的距离仅为3纳米。

还有网友认为,这样效应对微机电系统(MEMS)的设计也有重要意义:

根据维基百科,在10nm的间隔中,卡西米尔效应产生的压力相当于1个大气压。这是超微米尺度上的主要作用力。揭开这种力量的面纱将会帮助MEMS进一步小型化。

还有网友补充说,想来通过光刻技术制造各种尺寸芯片所需的光频率,与卡西米尔效应中的截止频率之间存在着对应关系。

不过也有网友指出,声音的音量呈指数衰减,因此在真空中听到声音的前提条件是,得像本实验中的氮化硅膜那样靠得非常近(0.0004毫米)。

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“热”究竟是什么?

论文原文:https://www.nature.com/articles/s41586-019-1800-4

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