如何看待Nature近期发表论文中提到的新的热传导方式：真空声子传热？ _声子

如何看待Nature近期发表论文中提到的新的热传导方式：真空声子传热？

在学习物理时，物理教科书上的知识告诉我们，宇宙中的热能只有传导、对流以及辐射这三种传递方式，除此之外，热量再也没有其他的方式来进行传递。

文章插图

然而在2019年12月16日，加州大学伯克利分校的张翔团队在《自然》（Nature）杂志上发表的论文显示，这些科学家发现了一种前所未有的热传递方式——“真空声子传热”，这就意味着，我们的物理教科书将被改写。

文章插图

什么是声子呢？所谓声子是指凝聚态物质中原子、分子等微观粒子振动的集体激发所具备的能量量子，为了方便理解，我们可以粗略地认为，声子就是振动能量子化后的最小单位，它是一种准粒子，和我们常听到的光子、电子等基本粒子是完全不同的概念。

文章插图

我们都知道，热能可以通过振动能的形式在微观粒子（如分子、原子等）间传递，这就说明了声子是可以传递热能的。但是声子必须要通过介质才可以传递热能，而真空里是没有介质的，据此我们可以得出一个结论，热能是不能够通过振动能的形式在真空中传递的。

文章插图

那么真空里真的就没有介质吗？对此，量子力学认为，在看似什么都没有的真空里，其实充满了大量的虚粒子，这些虚粒子在真空中总是成对（一个正一个反）地出现，然后又在一瞬间互相湮灭。需要注意的是，量子力学所描述这种现象并不是只存在于理论中，事实上，早在1996年科学家就通过实验证实了这一现象。

科学家在真空中平行置入两片非常薄并且非常光滑金属板，当这两片金属板之间的距离缩小到一定的程度时，科学家观测到了它们之间具有了互相靠近的趋势，经过反复研究以后，科学家认为这种使金属板互相靠近的力就是由真空中的虚粒子产生的，这种现象就是有名的“卡西米尔效应”，而在该现象中产生的力就是“卡西米尔力”，它证明了真空其实并不空。

文章插图

既然真空中存在“卡西米尔力”，那么这种力能不能让真空中的两个物体隔空传递振动能，从而实现“真空声子传热”呢？从理论上来讲答案是肯定的，但是科学家通过计算得出，这种现象是发生在纳米尺度上，由于在这种尺度上存在很大的干扰（如静电作用等等），而以这种方式传递的热能又极为微弱，很难作出精确的测量，因此如何验证“真空声子传热”就成了一个巨大的难题。

对此，该研究团队精心设计了一套实验设备，设备的核心是两片平行放置的只有100纳米厚的氮化硅薄膜，这两片薄膜非常光滑，表面的凹凸程度不超过1.5纳米，薄膜还覆盖了一层金属反射层，以便于精密的光学仪器的探测工作（设计简图如下图所示）。