摘要：量子漲落使得聲子可以在真空中傳遞熱量。一項近期發表於《自然》雜誌的實驗就首次證明，量子效應可以讓聲子在真空中傳遞熱量。

量子漲落使得聲子可以在真空中傳遞熱量。（圖片來源：張翔/加州大學伯克利分校）

還記得熱傳遞的3種方式嗎？在物理課本上，除了熱輻射，熱傳導、熱對流這兩種通過聲子傳熱的方式，都無法在真空中發生。但在量子物理學家看來，真空並不是一片真正的“虛空”，而是充滿了量子漲落。一項近期發表於《自然》雜誌的實驗就首次證明，量子效應可以讓聲子在真空中傳遞熱量。終於，一種全新的熱傳遞方式被找到了。

我們從小就會接受這樣的教育：做飯時不要碰竈臺上的鍋，也不要靠近火焰，不然就會被燙傷。無論是通過直接接觸，還是藉助光的輻射，熱傳遞總會讓我們大喫苦頭，並且印象深刻。

在中學物理課上，我們進一步學習了熱量的3種傳遞方式：通過直接接觸傳遞熱量的熱傳導、通過液體或氣體介質傳熱的熱對流，以及由光子（電磁輻射的載體）傳熱的熱輻射。其中，除了熱輻射，前兩種熱傳遞方式都無法在真空中進行。

現在，科學家發現了一種全新的熱傳遞方式。他們利用了量子力學匪夷所思的性質，在不借助光子的情況下，讓熱量從真空中的一點傳到另一點。

用量子漲落傳熱？

熱量是物體內部微觀粒子無規則運動的表現——微觀粒子運動更快時，物體的溫度也更高。在宇宙尺度上，恆星的熱量大多借助光子在真空中傳遞——這正是太陽從1.5億千米外將熱量傳遞至地球的方式。不過在地球上，多數情況下，熱量以接觸的方式藉助聲子（原子振動的集體激發）來傳遞的。

按照此前的觀點，若想借助聲子傳遞熱量，那麼兩個物體必須接觸，或者它們之間至少要有空氣等介質的存在。如果真空將兩個物體隔開，就無法通過聲子傳遞熱量了。熱水壺就是根據這個原理製造的：熱水壺的外殼和內膽之間被抽成了真空，這樣瓶裏的水就可以長時間保溫了。然而隨着量子力學的發展，一些科學家開始猜測，聲子或許可以在真空中傳熱。這個猜想基於一個令人難以置信的事實：從量子力學的角度來說，空無一物的真空是不存在的。

根據量子力學的觀點，宇宙在本質上就是模糊的。打個比方來說，竭盡所能，你也無法同時確定一個亞原子粒子在某一時刻的動量和位置。這種不確定性的後果就是，真空永遠不完全是空的，而是充斥着量子漲落——也就是所謂的“虛粒子”的不斷出現和消失。

幾十年前，科學家發現虛粒子並不只存在於理論中。事實上，它們產生的力是可以被探測到的。比如卡西米爾效應——這個效應指將兩個物體近距離放在真空環境中時，它們之間存在微小的引力。例如，你在真空中把兩面鏡子面對面放在一起，由於虛光子會不斷出現和消失，其產生的力就會使鏡子的表面彎曲。

這個現象激發了物理學家的思考，如果這些短暫的量子漲落能夠產生真實的力，那麼它們或許也能產生其他效果——比如在沒有熱輻射的情況下傳遞熱量。

爲了理解聲子如何通過量子漲落傳熱，讓我們假設真空中有兩個分開放置且溫度不同的物體。高溫物體中的聲子可以將熱量傳給真空中的虛粒子，然後這些虛粒子又將熱量傳給低溫物體。如果我們將兩個物體都視爲振動的原子的集合體的話，那麼虛粒子就像一根彈簧，將一個物體的振動傳給另外一個。

帝國理工大學的物理學家John Pendry（未參與本研究）表示，關於量子漲落是否真的能實現聲子在真空中的傳熱、如果能傳熱，效率又有多高，“這些問題在最近十年備受爭議。不同理論物理學家對此的估算存在很大的差異，因爲計算過程非常困難。”他解釋道，總的來說，前人的研究預測，只有當兩個物體間的距離處於納米尺度時，這種作用才能被觀察到。然而，在那麼短的間距下，兩個物體間的靜電作用或其他納米尺度的作用會產生很強的干擾，因此要觀察到聲子的熱傳遞效應非常困難。

熱傳遞的新機制

在這篇最新論文中，爲了在幾百納米的尺度下實現聲子的傳熱，加州大學伯克利分校的張翔帶領團隊開展了實驗。他們使用了兩片氮化硅薄膜，每片只有約100納米厚。膜中振動的原子使每張膜都以一定頻率前後振盪，因此當溫度變化時，膜的運動方式也會發生變化。這種膜又輕又薄，所以當其中一片的能量對另一片的運動產生影響時，研究者可以很容易地觀察到這種效應。

實驗裝置圖。（圖片來源：張翔/加州大學伯克利分校）

張翔團隊意識到，如果兩張薄膜的尺寸相同，但溫度不同，那麼它們振動的頻率就會不同。因此，研究者特地定製了兩張膜的不同尺寸，使它們在不同的起始溫度下（分別是13.85℃和39.35℃），都能以每秒191600次的頻率振動。當兩張膜共振時，能量就能迅速交換。

另外，研究者確保了兩張膜相互平行，誤差不超過幾納米。同時，他們還保證膜非常光滑，表面的凹凸不超過1.5納米。在實驗中，兩張膜被固定在了真空室的兩側，他們用加熱器對其中一張膜加熱，同時用製冷器給另一張降溫。爲了探測振動頻率，也就是溫度的變化，兩張膜的表面都覆蓋了薄如蛛網的金反射層，並用微弱的激光對其照射。經歷了多次實驗後，研究團隊確認，膜與真空室的接觸面不存在熱傳導，並且兩張膜之間也沒有藉助電磁波的熱輻射發生。

張翔表示：“這項實驗對溫度、距離和校準的控制精度有極高的要求。我們有一次嘗試在夏天進行這個實驗，結果受到了實驗室室溫升高的影響。另外，爲了排除噪音，測量本身也花了很長時間，每個數據點都需要測四個小時。”

最終，研究團隊發現，當將兩張膜的距離低於600納米時，它們的溫度就發生了變化，並且該變化無法用其他理論解釋。當相距不足400納米時，熱交換的速率足夠讓膜的溫度發生明顯變化。

實驗成功後，研究者計算出實驗中聲子傳遞能量的最高效率：約6.5×10-21焦耳/秒。按這個速率計算，如果想要傳遞一個可見光光子的全部能量，則需要50秒。儘管這看起來微不足道，張翔認爲這仍然是“熱量在兩個物體之間傳遞的新機制”。

更多應用場景？

據張翔介紹，從原理上說，恆星也可以通過這一機制加熱其行星。然而，考慮到它們之間的距離，這種效應的規模可能會“非常小”，幾乎可以無視。

在我們的生活中，從智能手機到筆記本電腦，幾乎所有電子設備都在變得越來越小。而這一研究結果或許能幫助工程師處理納米級技術中的發熱問題。“比如在硬盤驅動器裏，讀寫磁頭在磁盤表面移動的間隔只有3納米”，張翔說，“在這麼短的距離內，新發現的熱傳遞作用或許能產生重要的影響。在設計磁性記錄裝置時，應當考慮到這一點。”

張翔提到，量子漲落不只涉及到虛光子。除虛光子外，還有許多其他種類的虛粒子，如虛引力子，也就是一份引力場的能量。張翔說道：“引力場的量子漲落能否引發宇宙規模的熱傳遞機制是一個有趣的問題，這還等着我們去探索。”