熱在真空環(huán)境下很難被傳遞，這是經(jīng)典物理學中的一個基本概念，是高中物理課本里學到的知識。但香港大學校長張翔教授帶領(lǐng)的加州大學伯克利分�？蒲袌F隊的最新研究顯示，熱能可以跨越幾百納米的完全真空空間。這一成果，不僅是對經(jīng)典物理學的顛覆，更將對計算器芯片和其他在設(shè)計上以散熱為關(guān)鍵考慮的納米級電子組件產(chǎn)生深遠的影響，對于高速計算器和大數(shù)據(jù)存儲的發(fā)展也非常重要。這項極具開創(chuàng)性的研究結(jié)果日前在《自然》雜志發(fā)表。

真正意義的“真空”并不存在

　　人們喜歡使用真空絕緣的保溫瓶盛載茶或咖啡，因為我們知道這些容器是很好的絕緣體，能夠保持飲品的溫度。經(jīng)典物理學告訴我們，熱導(dǎo)能難以穿越真空，帶熱的原子或分子，如果周圍沒有其他原子或分子，根本無法把熱能的振動傳導(dǎo)開去。但是，張翔教授在加州大學伯克利分校擔任機械工程教授時，帶領(lǐng)科研團隊進行了一項“顛覆性”的研究。研究結(jié)果顯示，量子力學讓經(jīng)典物理學的這一個基本概念發(fā)生了動搖。由于一種稱為卡西米爾效應(yīng)的量子力學現(xiàn)象，熱能可以跨越幾百納米的完全真空空間。“熱能在固體中傳導(dǎo)通常是透過原子或分子，或所謂的聲子的振動，但真空的空間沒有物理介質(zhì)，因此教科書多年來都告訴我們，聲子不能在真空中傳播”，張翔教授表示，“令人驚訝的是，我們發(fā)現(xiàn)聲子確實可以透過看不見的量子漲落在真空中傳導(dǎo)。”實驗中，張翔教授的團隊在一個真空密室，把兩片鍍金氮化硅膜，分開放置于相距數(shù)百納米的距離。兩個膜中間沒有任何連接，之間幾乎沒有光穿透，但當加熱其中一個膜時，另一個的溫度也變熱。加州大學伯克利分校博士后研究員、研究的共同第一作者King Yan Fong說：“在一個真空環(huán)境中，分子振動可以在空間中傳導(dǎo)，這看似不可能的情況竟然發(fā)生了，因為根據(jù)量子力學，沒有一樣?xùn)|西叫真正的真空。即使有真空空間 —— 沒有光、沒有物質(zhì) ——量子力學也說它不可能是完全真空，當中仍然存在一些量子場的波動。這些波動會產(chǎn)生一種力，把兩個物體連接在一起，這就是卡西米爾效應(yīng)。因此當一件物體受熱并開始搖擺和振蕩時，由于這些量子漲落，這些搖擺和振蕩實際上可以通過真空傳遞給另一個物體。”

傳輸一小步，應(yīng)用一大步

　　理論學者一直揣測，卡西米爾效應(yīng)能幫助分子振動在真空中游走，但要透過實驗去證明卻非常艱難。研究團隊用了5年時間在一個完全無塵的干凈房間中制造出極薄的氮化硅膜，并設(shè)計了一種精確控制和監(jiān)測其溫度的方法，作出適當調(diào)控然后取得實驗成果。團隊發(fā)現(xiàn)，經(jīng)仔細選擇膜的尺寸和設(shè)計，可以在真空中將熱能傳導(dǎo)數(shù)百納米。雖然連1毫米都不到，但這已足以對計算器芯片和其他在設(shè)計上以散熱為關(guān)鍵考慮的納米級電子組件，產(chǎn)生深遠的影響，更不用說顛覆了大部分人中學時學到的傳熱理論。研究人員從此可以開拓發(fā)展透過調(diào)控量子真空，散走集成電路中的熱量。張教授團隊的前博士生、研究的共同第一作者Hao-Kun Li說︰“我們發(fā)現(xiàn)的這種新的傳熱機制，為納米級的熱能應(yīng)用開創(chuàng)了前所未有的機遇，對于高速計算器和大數(shù)據(jù)存儲的發(fā)展非常重要。現(xiàn)在我們可以透過調(diào)控量子真空，散走集成電路中的熱量。”

聲音也可能在“真空”中傳播

　　張翔教授是美國國家工程院院士、中國科學院外籍院士。他說，由于分子振動也是我們聽到聲音的基礎(chǔ)，這一發(fā)現(xiàn)也預(yù)示了聲音也可能可以通過真空傳播。“25年前，當我在柏克萊進行博士生資格考試時，一位教授問我：‘為什么隔著桌子你仍能聽到我的聲音?’我回答說是因為聲音是通過分子在空氣中振動傳播。他追問：‘如果我們將這個房間中所有空氣分子都抽走，你還能聽到我說話嗎?’我說不能，因為沒有振動的介質(zhì)。今天我們發(fā)現(xiàn)了一種由量子真空漲落所形成，不需要介質(zhì)的新真空傳熱模式，結(jié)果令人驚訝。所以我在1994年的考試是答錯了，其實透過真空，你可以大叫而別人能夠聽到。”張翔教授表示，這一研究成果有望為更多的科研發(fā)現(xiàn)打開“大門”。