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第4种热传递方法被发现了

时刻: 2019年12月20日 | 作者: Charles Q. Choi | 来历: 举世(www.22vfpn.com)
一项近期发表于《天然》的试验就初次证明,量子效应能够让声子在真空中传递热量。总算,一种全新的热传递方法被找到了。


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量子涨落使得声子能够在真空中传递热量。(图片来历:张翔/加州大学伯克利分校)


还记得热传递的3种方法吗?在物理课本上,除了热辐射,热传导、热对流这两种经过声子传热的方法,都无法在真空中发作。但在量子物理学家看来,真空并不是一片实在的“虚空”,而是充满了量子涨落。一项近期发表于《天然》的试验就初次证明,量子效应能够让声子在真空中传递热量。总算,一种全新的热传递方法被找到了。


撰文 | Charles Q. Choi

编译 | 张二七

审校 | 吴非


咱们从小就会承受这样的教育:煮饭时不要碰灶台上的锅,也不要接近火焰,否则就会被烫坏。无论是经过直触摸摸,仍是凭借光的辐射,热传递总会让咱们大吃苦头,而且形象深入。


在中学物理课上,咱们进一步学习了热量的3种传递方法:经过直触摸摸传递热量的热传导、经过液体或气体介质传热的热对流,以及由光子(电磁辐射的载体)传热的热辐射。其间,除了热辐射,前两种热传递方法都无法在真空中进行。


现在,家发现了一种全新的热传递方法。他们利用了量子力学匪夷所思的性质,在不凭借光子的情况下,让热量从真空中的一点传到另一点。



用量子涨落传热?


热量是物体内部微观粒子无规则运动的体现——微观粒子运动更快时,物体的温度也更高。在世界标准上,恒星的热量大多凭借光子在真空中传递——这正是太阳从1.5亿千米外将热量传递至地球的方法。不过在地球上,大都情况下,热量以触摸的方法凭借声子(原子振荡的团体激起)来传递的。


依照此前的观念,若想凭借声子传递热量,那么两个物体有必要触摸,或许它们之间至少要有空气等介质的存在。假如真空将两个物体离隔,就无法经过声子传递热量了。热水壶便是依据这个原理制作的:热水壶的外壳和内胆之间被抽成了真空,这样瓶里的水就能够长时刻保温了。但是跟着量子力学的展开,一些家开端猜测,声子或许能够在真空中传热。这个猜测依据一个令人难以置信的现实:从量子力学的视点来说,空无一物的真空是不存在的。


依据量子力学的观念,世界在本质上便是含糊的。打个比方来说,竭尽所能,你也无法一同承认一个亚原子粒子在某一时刻的动量和方位。这种不承认性的成果便是,真空永久不完满是空的,而是充满着量子涨落——也便是所谓的“虚粒子”的不断出现和消失。


几十年前,家发现虚粒子并不只存在于理论中。现实上,它们发作的力是能够被勘探到的。比方卡西米尔效应——这个效应指将两个物体近间隔放在真空环境中时,它们之间存在细小的引力。例如,你在真空中把双面镜子面对面放在一同,由于虚光子会不断出现和消失,其发作的力就会使镜子的外表曲折。


这个现象激起了物理学家的考虑,假如这些时刻短的量子涨落能够发作实在的力,那么它们或许也能发作其他效果——比方在没有热辐射的情况下传递热量。


为了了解声子怎么经过量子涨落传热,让咱们假定真空中有两个分隔放置且温度不同的物体。高温物体中的声子能够将热量传给真空中的虚粒子,然后这些虚粒子又将热量传给低温物体。假如咱们将两个物体都视为振荡的原子的集合体的话,那么虚粒子就像一根绷簧,将一个物体的振荡传给别的一个。


帝国理工大学的物理学家John Pendry(未参加本研讨)表明,关于量子涨落是否真的能完成声子在真空中的传热、假如能传热,功率又有多高,“这些问题在最近十年备受争议。不同理论物理学家对此的预算存在很大的差异,由于核算进程十分困难。”他解说道,总的来说,前人的研讨猜测,只要当两个物体间的间隔处于纳米标准时,这种效果才干被调查到。但是,在那么短的间隔下,两个物体间的静电效果或其他纳米标准的效果会发作很强的搅扰,因而要调查到声子的热传递效应十分困难。



热传递的新机制


在这篇最新论文中,为了在几百纳米的标准下完成声子的传热,加州大学伯克利分校的张翔带领团队展开了试验。他们运用了两片氮化硅薄膜,每片只要约100纳米厚。膜中振荡的原子使每张膜都以必定频率前后振荡,因而当温度改变时,膜的运动方法也会发作改变。这种膜又轻又薄,所以当其间一片的能量对另一片的运动发作影响时,研讨者能够很容易地调查到这种效应。


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试验设备图。(图片来历:张翔/加州大学伯克利分校)


张翔团队意识到,假如两张薄膜的尺度相同,但温度不同,那么它们振荡的频率就会不同。因而,研讨者特别定制了两张膜的不同尺度,使它们在不同的开始温度下(分别是13.85℃和39.35℃),都能以每秒191600次的频率振荡。当两张膜共振时,能量就能敏捷交流。


别的,研讨者确保了两张膜彼此平行,差错不超越几纳米。一同,他们还确保膜十分润滑,外表的凹凸不超越1.5纳米。在试验中,两张膜被固定在了真空室的两边,他们用加热器对其间一张膜加热,一同用制冷器给另一张降温。为了勘探振荡频率,也便是温度的改变,两张膜的外表都覆盖了薄如蛛网的金反射层,并用弱小的激光对其照耀。阅历了屡次试验后,研讨团队承认,膜与真空室的触摸面不存在热传导,而且两张膜之间也没有凭借电磁波的热辐射发作。


张翔表明:“这项试验对温度、间隔和校准的控制精度有极高的要求。咱们有一次测验在夏天进行这个试验,成果受到了试验室室温升高的影响。别的,为了扫除噪音,丈量自身也花了很长时刻,每个数据点都需求测四个小时。”


终究,研讨团队发现,当将两张膜的间隔低于600纳米时,它们的温度就发作了改变,而且该改变无法用其他理论解说。当相距缺乏400纳米时,热交流的速率满足让膜的温度发作明显改变。


试验成功后,研讨者核算出试验中声子传递能量的最高功率:约6.5×10-21焦耳/秒。按这个速率核算,假如想要传递一个可见光光子的悉数能量,则需求50秒。虽然这看起来微缺乏道,张翔以为这仍然是“热量在两个物体之间传递的新机制”。



更多使用场景?


据张翔介绍,从原理上说,恒星也能够经过这一机制加热其行星。但是,考虑到它们之间的间隔,这种效应的规划可能会“十分小”,简直能够无视。


在咱们的日子中,从智能手机到笔记本电脑,简直一切电子设备都在变得越来越小。而这一研讨成果或许能协助工程师处理纳米级技能中的发热问题。“比方在硬盘驱动器里,读写磁头在磁盘外表移动的间隔只要3纳米”,张翔说,“在这么短的间隔内,新发现的热传递效果或许能发作重要的影响。在规划磁性记载设备时,应当考虑到这一点。”


张翔说到,量子涨落不只涉及到虚光子。除虚光子外,还有许多其他品种的虚粒子,如虚引力子,也便是一份引力场的能量。张翔说道:“引力场的量子涨落能否引发世界规划的热传递机制是一个风趣的问题,这还等着咱们去探究。”


原文链接:

https://www.scientificamerican.com/article/space-heater-scientists-find-new-way-to-transfer-energy-through-a-vacuum/

原始论文:

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1800-4