在生命早期，大多数孩子了解到触摸滚烫的炉子，甚至靠近熊熊燃烧的火焰都会被烫伤。无论是通过直接接触还是光线在空间中快速传播来传递，关于热传递的通常痛苦的教训既直观又令人难忘。然而，现在，科学家们揭示了一种奇怪的新方法，热量可以从 A 点传递到 B 点。通过空旷空间的奇异量子力学特性，热量可以在没有光线帮助的情况下从一个地方传递到另一个地方。
一般来说，热量是粒子运动产生的能量——它们移动得越快，温度就越高。在宇宙尺度上，大多数热传递通过真空，通过恒星发出的光子或光粒子发生——这就是太阳温暖我们星球的方式，尽管它距离我们约 1.5 亿公里。在地球上，热流通常更密切，通过材料之间的直接接触发生，并由称为声子的原子波状集体振动来辅助。
长期以来，人们认为声子无法通过空旷空间传递热能；它们需要两个物体接触，或者至少与合适的介质（如空气）相互接触。这个原理就是保温瓶如何保持其内容物冷热的原因：它们使用包含真空的壁来隔离内部腔室。然而，多年来，科学家们一直在推测声子可能通过真空传递热量的可能性，他们被量子力学规定空间永远不可能真正空无一物的惊人事实所吸引。
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量子力学表明宇宙本质上是模糊的——例如，无论人们多么努力，都永远无法同时精确地确定亚原子粒子的动量和位置。这种不确定性的一个结果是，真空永远不会完全空无一物，而是充满了量子涨落——所谓的虚粒子不断地忽隐忽现。“真空永远不是完全的真空，”加州大学伯克利分校的物理学家、新的声子热传递研究的资深作者张翔说，该研究于 12 月 11 日发表在《自然》杂志上。
几十年前，科学家们发现虚粒子不仅仅是理论上的可能性，而且可以产生可检测到的力。例如，卡西米尔效应是在真空中彼此靠近的某些物体（例如两个紧密放置在一起的镜子）之间观察到的吸引力。这些反射表面会移动，是因为虚拟光子忽隐忽现产生的力。
如果这些短暂的量子涨落能够产生真实的力，理论家们猜想，也许它们也可以做其他事情——例如在没有热辐射的情况下传递热量。为了设想通过量子涨落的声子加热可能如何工作，请想象两个温度不同的物体被真空隔开。较热物体中的声子可以将热能传递到真空中的虚光子上，然后虚光子可以将这种能量传递到较冷的物体。如果两个物体本质上都是抖动原子的集合，那么虚粒子可以像弹簧一样，帮助将振动从一个物体传递到另一个物体。
关于量子涨落是否真的可以帮助声子通过真空传递热量的问题，“理论家们已经争论了大约十年左右，有时对这种效应的强度有非常不同的估计——计算非常棘手，”伦敦帝国学院的物理学家约翰·彭德里说，他没有参与这项研究。他解释说，总的来说，之前的这项工作预测，研究人员只能在被几个纳米（十亿分之一米）或更小的距离隔开的物体之间看到这种效应。彭德里说，在如此微小的距离下，物体之间的电相互作用或其他纳米级现象可能很容易掩盖这种声子效应——使其非常难以测试。
为了迎接这一挑战，张翔和他的同事们花费了四年时间进行艰苦的试验和错误尝试，以改进实验，看看他们是否能够在更大的真空距离（数百纳米的尺度）上实现声子热传递。例如，实验涉及两个氮化硅薄膜，每个薄膜的厚度约为 100 纳米。这些薄片的超薄和轻巧的特性使得更容易观察到当一个薄片的能量对另一个薄片的运动产生影响时。薄片中振动的原子使每个薄膜以取决于其温度的频率来回弯曲。
张翔的团队意识到，如果薄片尺寸相同但温度不同，它们将以不同的频率颤动。考虑到所有这些细节，科学家们调整了薄膜的尺寸，使得即使它们最初处于不同的温度（分别为 13.85 摄氏度和 39.35 摄氏度），它们都以大约每秒 191,600 次的频率振动。以相同频率共振的两个物体倾向于有效地交换能量——共振的一个众所周知的例子是，当歌剧演员发出正确的音符时，会导致香槟酒杯共振并破碎。
此外，研究人员确保薄膜在彼此完全平行的几纳米范围内，所有这些都是为了帮助精确测量一个薄膜可能对另一个薄膜施加的力。他们还注意使薄膜非常光滑，表面变化不超过 1.5 纳米大小。一个薄膜被夹在真空室的表面上，与加热器连接，而另一个薄膜与冷却器连接。两者都涂有一层极薄的金层以提高反射率，并在微弱的激光束中照射以检测它们的振荡——从而检测它们的温度。在一次又一次的试验中，科学家们检查以确保薄膜不会通过它们被夹住的表面或通过真空中的任何可见光或其他电磁辐射的发射来交换热量。
“这项实验需要非常灵敏地控制温度、距离和对准，”张翔说。“我们曾经在夏天遇到实验运行问题，因为炎热的天气使实验室升温。此外，为了消除噪声，测量本身需要很长时间——每个数据点都需要四个小时才能获得。”
最终，张翔和他的同事们发现，当薄膜之间的距离小于 600 纳米时，它们开始表现出其他无法解释的温度变化。在 400 纳米以下，热交换速率足以使薄膜具有几乎相同的温度，这证明了这种效应的效率（或缺乏效率）。有了成功的实验结果，研究人员能够计算出他们观察到的声子通过真空传递的最大能量速率：约为每秒 6.5 × 10–21 焦耳。按照这个速率，大约需要 50 秒才能传递一个可见光光子的能量。这个数字可能看起来微不足道，但张翔指出，它仍然构成“物体之间热传递的新机制”。
“很高兴看到一些实验数据证实声子可以跨越间隙，”彭德里说。“这是一个很棒的实验——我相信是第一个。”
原则上，恒星甚至可以通过这种新发现的机制加热它们的行星。然而，考虑到所涉及的距离，这种效应的量级将“极其微小”，基本上到了完全微不足道的程度，张翔说。
在离我们更近的地方，随着从智能手机到笔记本电脑的一切电子设备变得越来越小，这些发现可能使工程师能够更好地管理纳米级技术中的热量。“例如，在硬盘驱动器中，磁读/写头在磁盘表面上方移动，间隔距离仅为 3 纳米，”张翔说。“在如此短的距离下，新的热传递效应预计将发挥重要作用，因此应在磁记录设备的设计中加以考虑。”
张翔指出，量子涨落不仅包括虚光子。还有许多其他类型的虚粒子，包括虚引力子或引力能量包。“引力场的量子涨落是否可能产生在宇宙尺度上发挥作用的热传递机制，这是一个有趣的开放性问题，”张翔说。