由于量子的奇异性,热能跨越了绝对真空

受量子涨落现象影响,热能可以在绝对真空中传递。

为了完成这项极具挑战性的实验,研究人员设计了一种超薄的氮化硅薄膜,并在真空室中精确控制了薄膜温度。

生活经验和中学物理知识告诉你,用真空隔热保温瓶装咖啡是个不错的选择。真空隔热效果非常好,热能很难在真空中流动——如果周围没有原子/分子,携带热能的原子/分子就无法传递其振动。不过据美国“物理学组织”网站12月11日报道,美国加州大学伯克利分校(UCB)的研究人员在《自然》杂志撰文称,量子力学的奇异性质再次颠覆了经典物理学的基本原理。他们发现,受量子力学现象“卡西米尔相互作用”(Casimir interaction)影响,热能跨越了几百纳米的绝对真空。虽然这种相互作用只在微观尺度上有意义,但它可能会对计算机芯片,以及其他纳米级电子元件的散热设计产生深远影响。

通常情况下,热能通过原子、分子或者声子的振动在固体中传导。而真空中不存在物理介质。因此,教科书告诉我们,声子不能在真空中传播。UCB机械工程教授Xiang Zhang说:“令人惊讶的是,我们发现声子借助看不见的量子涨落穿越了真空。”

在实验中,Zhang教授团队在真空室中设置了两个相距数百纳米的镀金氮化硅薄膜。这两层薄膜之间为真空,并且通过两者的光能可忽略不计。随后,当他们加热其中一层薄膜时,另外一层薄膜也升温了。论文作者Hao-Kun Li解释说:“这种新传热机制的发现为纳米尺度的热管理提供了新视野。这对高速计算和数据存储非常重要。我们可以设计量子真空来提取集成电路中的热量。”论文作者、UCB博士后学者King Yan Fong补充说:“为何分子振动跨越了真空?其原因在于,根据量子力学理论,并不存在真正意义上的真空。真空中存在微弱的量子场波动,这些波动会产生卡西米尔相互作用。因此,当一个物体升温并开始振动时,受量子涨落影响,振动是能够穿过真空传递给另一个物体的。”

尽管已经有理论学家推测过,卡西米尔相互作用可能有助于分子振动在真空中的传播。但用实验证明却非常困难。为此,Zhang教授等设计了超薄氮化硅薄膜以及精确控制、监控温度的方法,并对电磁辐射等干扰条件进行了排除。Zhang表示,分子振动是人类能听到声音的基础,因此他们的发现暗示着声音也可以在真空中传播。他说:“在25年前,我在UCB参加博士资格考试时,一位教授问我‘为什么你能够听到桌子这头我说的话?’我回答说‘因为声音是通过空气中振动的分子传播的。’他接着问,‘如果把所有的空气分子都吸出房间,你还能听到我说话吗?’我说‘不能。因为没有振动介质。’现在,我们发现了一个惊人的新模式,受量子涨落影响,热能也能在真空中传递。因此,我在1994年的考试中回答错了。”

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编译:雷鑫宇

审稿:alone

责编:张梦

期刊来源:《自然》

期刊编号:0028-0836

原文链接:

https://phys.org/news/2019-12-energy-space-quantum-weirdness.html

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