真空并不“空”!科學家或發現第四種傳熱方式

真空基礎 admin Nature、Sciencedaily

  我們都知道,現實生活中熱傳遞的方式主要有三種:熱對流、熱傳導、熱輻射。而在真空中,由于沒有介質的存在,熱量是沒有辦法傳遞的。

  例如當我們使用真空絕緣的熱水瓶來保持水的溫度時,我們可能會知道它是一種很好的絕緣體,因為熱能很難穿過空的空間。如果周圍沒有原子或分子,則攜帶熱能的原子或分子的振動根本無法傳播。

  近日,加州大學伯克利分校的科學家在《Nature》(自然)雜志上發表了一項研究足以再次改寫我們的教科書。

  初中課本中講到,聲音在真空中是無法傳播的。其實聲音在本質上也是由分子振動產生的一種波,它也會產生能量,而熱能也是其中的一種。

  而此次研究人員發現,聲音竟然能夠在真空中傳播,其實真空并不“空”。產生的熱能可以跨越數百納米的完全真空,實現傳遞。

真空并不“空”!科學家或發現第四種傳熱方式

  到底是實驗事實出現了問題,還是我們習以為常的教科書有了錯誤?到底是什么物質引起了這種現象?

  此次發現的現象涉及了一種被叫做稱為卡西米爾相互作用的量子力學現象。那么什么是卡西米爾效應?

  假設在真空中存在兩片平行的平坦金屬板,兩板之間的空間相對于板外是有限的,因此在他們之間的粒子數就會小于板外,而這些粒子對板的碰撞所產生的壓力也就是板外大于板內,平行板就會受到真空施加的擠壓力。

真空并不“空”!科學家或發現第四種傳熱方式

  有人說真空沒有介質,粒子是哪里來的?根據量子力學的觀點,真空中存在著許多具有可測量效應的粒子,他們將其稱為虛粒子。虛粒子是構成虛物質的微粒,和實物粒子有非常密切的關系,分布在實物粒子的周圍,與實物粒子具有類似的性質。

  實驗中,研究團隊在真空室內放置了兩個相距幾百納米的鍍金氮化硅膜。當它們加熱其中一個膜時,另一個膜也變熱了-即使沒有任何東西連接兩個膜,并且在它們之間通過的光能微不足道。

真空并不“空”!科學家或發現第四種傳熱方式

  研究人員發現,通過仔細選擇膜的尺寸和設計,可以將熱能傳遞到數百納米的真空中。這個距離足夠遠,以至于其他可能的傳熱模式都可以忽略不計-例如電磁輻射所攜帶的能量,這就是來自太陽的能量如何使地球變溫暖。

  盡管這種相互作用僅在非常短的長度范圍內才有意義,但它可能對計算機芯片,以及其他以散熱為關鍵的納米級電子組件的設計,產生深遠的影響。新傳熱機制的發現為納米級的熱管理開創了前所未有的機會,這對于高速計算和數據存儲同樣非常重要。

真空并不“空”!科學家或發現第四種傳熱方式

  科學家說,由于分子振動也是我們聽到的聲音的基礎,因此這一發現暗示了聲音也可以通過真空傳播。聲子確實可以通過看不見的量子漲落在真空中轉移。而量子漲落或將成為一種新的熱傳遞方式。