真空并不“空”!科学家或发现第四种传热方式

2019-12-27 admin Nature、Sciencedaily

  我(wo)们都知(zhi)道,现(xian)实生活中(zhong)热传(chuan)(chuan)递的(de)方式(shi)主(zhu)要有三种(zhong):热对流(liu)、热传(chuan)(chuan)导、热辐射。而在(zai)真空(kong)中(zhong),由于没有介质(zhi)的(de)存在(zai),热量是(shi)没有办(ban)法传(chuan)(chuan)递的(de)。

  例如当我们(men)(men)使用真(zhen)空(kong)绝缘的(de)热(re)(re)水(shui)瓶(ping)来保持(chi)水(shui)的(de)温度时,我们(men)(men)可(ke)能(neng)会知道它是一种很(hen)好的(de)绝缘体,因(yin)为(wei)热(re)(re)能(neng)很(hen)难穿过空(kong)的(de)空(kong)间。如果周围没有原子(zi)或分子(zi),则携带热(re)(re)能(neng)的(de)原子(zi)或分子(zi)的(de)振动根本无法传(chuan)播。

  近日,加州大学伯克利(li)分校的(de)科学家(jia)在《Nature》(自(zi)然)杂志上发(fa)表了(le)一项研(yan)究(jiu)足以再次改写(xie)我们的(de)教(jiao)科书。

  初中(zhong)课本中(zhong)讲到,声音(yin)在(zai)(zai)真空中(zhong)是(shi)无法传播的。其(qi)实声音(yin)在(zai)(zai)本质(zhi)上也是(shi)由分子(zi)振(zhen)动产生(sheng)的一(yi)种波(bo),它(ta)也会产生(sheng)能量,而热能也是(shi)其(qi)中(zhong)的一(yi)种。

  而此次研究(jiu)人员发现,声(sheng)音竟然能够在真空(kong)(kong)(kong)中传播,其(qi)实真空(kong)(kong)(kong)并不“空(kong)(kong)(kong)”。产生的(de)热能可以跨越(yue)数百(bai)纳米的(de)完全真空(kong)(kong)(kong),实现传递。

真空并不“空”!科学家或发现第四种传热方式

  到底(di)(di)是实验事(shi)实出(chu)现(xian)了(le)问题,还是我(wo)们习以为常的教(jiao)科书有了(le)错误?到底(di)(di)是什么物质引起了(le)这(zhei)种现(xian)象(xiang)?

  此次发(fa)现的(de)现象涉及了一种被叫做(zuo)称为卡西米尔(er)相互作用的(de)量子力学现象。那么什(shen)么是卡西米尔(er)效应?

  假(jia)设在真空(kong)中存在两(liang)片(pian)平行的(de)(de)平坦(tan)金属板(ban),两(liang)板(ban)之间的(de)(de)空(kong)间相对于(yu)板(ban)外是有限的(de)(de),因此在他(ta)们之间的(de)(de)粒子数就会小于(yu)板(ban)外,而这些粒子对板(ban)的(de)(de)碰(peng)撞(zhuang)所产生(sheng)的(de)(de)压(ya)(ya)力也就是板(ban)外大于(yu)板(ban)内,平行板(ban)就会受到(dao)真空(kong)施加的(de)(de)挤(ji)压(ya)(ya)力。

真空并不“空”!科学家或发现第四种传热方式

  有(you)人(ren)说真空没有(you)介质(zhi),粒(li)(li)子(zi)是(shi)哪里来(lai)的(de)(de)(de)?根据量子(zi)力(li)学的(de)(de)(de)观(guan)点(dian),真空中(zhong)存在着许多具有(you)可测量效应的(de)(de)(de)粒(li)(li)子(zi),他们将其称(cheng)为虚(xu)粒(li)(li)子(zi)。虚(xu)粒(li)(li)子(zi)是(shi)构(gou)成虚(xu)物质(zhi)的(de)(de)(de)微粒(li)(li),和实(shi)物粒(li)(li)子(zi)有(you)非常密切的(de)(de)(de)关系,分布在实(shi)物粒(li)(li)子(zi)的(de)(de)(de)周围,与实(shi)物粒(li)(li)子(zi)具有(you)类似的(de)(de)(de)性质(zhi)。

  实(shi)验中(zhong),研究(jiu)团队(dui)在(zai)真空室内放置(zhi)了(le)(le)两(liang)个(ge)相距几百纳米的镀金氮化(hua)硅膜(mo)(mo)。当(dang)它们加热其中(zhong)一个(ge)膜(mo)(mo)时(shi),另(ling)一个(ge)膜(mo)(mo)也变热了(le)(le)-即使没有任何东(dong)西连接两(liang)个(ge)膜(mo)(mo),并且(qie)在(zai)它们之间通过的光(guang)能微不足(zu)道。

真空并不“空”!科学家或发现第四种传热方式

  研究人(ren)员发现,通(tong)过仔细(xi)选择(ze)膜(mo)的(de)(de)尺寸和设(she)计,可以将热能传递到数百(bai)纳米的(de)(de)真(zhen)空中。这个距(ju)离(li)足够(gou)远,以至于其他可能的(de)(de)传热模式都(dou)可以忽略不计-例如电磁辐射所携带(dai)的(de)(de)能量(liang)(liang),这就是(shi)来自(zi)太阳的(de)(de)能量(liang)(liang)如何使(shi)地(di)球变温暖。

  尽(jin)管(guan)这种相互作用仅在非(fei)常(chang)短的长度范(fan)围内才有意义,但它可能对计算机芯片,以及其他以散热为关键的纳米级电子(zi)组件的设计,产生深远的影响。新传(chuan)热机制的发现为纳米级的热管(guan)理开创了(le)前所未有的机会,这对于高速计算和数据存储同(tong)样非(fei)常(chang)重要(yao)。

真空并不“空”!科学家或发现第四种传热方式

  科(ke)学家说,由于分子振动也是我(wo)们听到的(de)声音(yin)的(de)基础,因(yin)此这一发现暗示(shi)了(le)声音(yin)也可以(yi)通过真空传播。声子确(que)实可以(yi)通过看不见的(de)量(liang)子涨落在真空中(zhong)转移。而量(liang)子涨落或(huo)将成(cheng)为一种新的(de)热(re)传递(di)方式。