瑞恩·邓肯愣住了。他刚刚完成一项新的实验， исследуя обычный graphite，也就是铅笔芯的材料，但结果看起来在物理上是不可能的：热量通常缓慢扩散，却以音速穿过石墨传播。这就像把一壶水放在热炉子上，不是数着漫长的几分钟等待水开始沸腾，而是眼睁睁看着它几乎瞬间沸腾。
难怪邓肯，这位麻省理工学院的研究生，简直不敢相信自己的眼睛。为了确保自己没有犯错，他对实验装置中的所有东西进行了四重检查，再次运行了实验，并休息了一下以调整心态。“我试图睡一会儿，因为我知道几个小时后才能知道实验是否成功，但我发现自己很难在晚上平静下来，”他回忆道。第二天早上邓肯的闹钟响起时，他穿着睡衣跑到电脑前，处理了新的测量数据，却得到了相同的结果：热量仍然以不可能的速度移动。
邓肯和他的同事上周在《科学》杂志上发表了他们的研究结果。这种被称为“第二声”的现象让物理学家们处于一种欣喜若狂的状态——部分原因是它可能为先进的微电子技术铺平道路，但主要是因为它太过于奇异。
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为了理解原因，想想热量是如何在空气中传导的。它通过分子传递，分子不断地相互碰撞并将热量向各个方向散射——向前、向侧甚至向后。这种根本的低效率使得传导热相对迟缓（相比之下，辐射热可以以光速作为红外辐射传播）。同样的迟缓性也适用于热量在固体中移动的情况。在这里，声子（声学振动能量包）像空气中的分子一样携带热量，使其向各个方向散射并缓慢扩散。“这有点像，如果你把一滴食用色素滴入水中，它会扩散开来，”邓肯在麻省理工学院的导师基思·纳尔逊说。“它不会像箭一样直线地从你滴入的地方移开。”但这正是邓肯的实验所表明的。在第二声中，声子的反向散射被大大抑制，使得热量能够向前射出。“这就是波动运动的表现方式，”纳尔逊说。“如果你在游泳池里，你发射一个水波，它会离开你所在的位置……但这对于热量的表现来说是不正常的。”
而且在大多数情况下，它确实不是这样。第二声最早在 75 年前的液态氦中被探测到，后来在三种固体中也被观察到。“早期的所有迹象都表明，这是一种真正局限于极少数材料且仅在极低温度下发生的现象，”纳尔逊说。因此，科学家们认为他们已经走到了尽头。“除了一个科学论断之外，[第二声]可能是什么，这一点不是很清楚，”洛桑瑞士联邦理工学院的材料科学家尼古拉·马扎里说，他没有参与这项研究。“因此，整个领域沉寂了很多年。”
但是，数值模拟的显著改进帮助该领域在大约五年前复苏——使科学家们认识到这种现象可能更普遍。例如，麻省理工学院的工程师陈刚能够预测，第二声可能在相当温和的温度下在石墨中可见。这一预测令邓肯感到振奋，他尽快对其进行了测试——一旦结果被证明如此违反直觉，最终将他其他的追求搁置一边。
首先，邓肯使用两束交叉的激光束将热量沉积到石墨样品中，以创建干涉图案——明暗交替的区域，对应于碰撞光波的波峰和波谷。一开始，波峰加热石墨，而波谷保持凉爽。但是，一旦邓肯关闭激光器，随着热量从热波峰流向冷波谷，图案将开始缓慢减弱。一旦整个样品达到均匀的温度，实验就会结束。或者至少通常情况下是这样。但是，当激光停止照射时，石墨有其他的打算，继续允许热量流动，直到热波峰变得比波谷更冷。这很像炉灶面在您关闭它的瞬间变得冰冷，而不是逐渐冷却到环境温度。“这很奇怪，”纳尔逊说。“热量不应该这样做！”
而且它当然不应该在如此高的温度下这样做。马扎里和陈刚几乎同时预测了这一现象，因此他相当确信它将被证明是有效的。即便如此，他不太确定在预见的高温下是否会观察到第二声。“如果你问我是否愿意用我的抵押贷款来赌这种效应的存在，我会说是的，”马扎里说。“但问题始终在于它发生在 100 开尔文、20 开尔文还是 0.1 开尔文？”邓肯的实验在 120 开尔文下发现了这种效应——比之前的测量值高出 10 倍以上。“以前没有人认为你真的能够在如此高的温度下做到这一点，”哈佛大学技术和公共政策研究教授文卡特什·纳拉亚纳穆尔蒂说，他没有参与这项研究。“从这个意义上说，它打破了一些传统观念。”
这也表明，这一发现未来可能会找到实际应用。不仅温度比之前研究结果所需的低温冷却实用得多，而且石墨是一种常见的材料——这两个特点可能有助于工程师克服当今微电子技术中令人望而生畏的热管理问题。试想一下，如果热量以音速迅速散去，材料和设备就能更快地冷却。这样的壮举肯定能让工程师们制造出更小、更高效的微电子产品。考虑到这一点，纳拉亚纳穆尔蒂（他在 1968 年至 1987 年在 AT&T 贝尔实验室工作期间研究过第二声）怀疑该领域很快将再次蓬勃发展。“如果我还在贝尔实验室，我会让人们对此进行实验，因为它在未来 10 年、15 年内将非常重要。”