量子波动

深蓝色的畅想

教科书教我们，热的传递方式有三种：传导、对流、辐射。传导和对流需要介质，无法在真空传递热量；而辐射是电磁波，可以在真空中发送能量，是恒星传递能量给其他星球的主要方式。


近期，加州大学柏克利分校的物理学家们，研究一种通过“量子波动”（quantum fluctuations）传递热能的全新方式。他们将论文发布在《Nature》期刊上。

热能可以通过光子和声子传递

热能是物体内部微观粒子不规则运动的巨观统计表现，粒子运动愈快，物体的温度也愈高。宇宙中有两种粒子可以传递热能：光子（Photon）、声子（Phonon），它们都是玻色子。

通过光子传播热能的方式是“辐射”，它可以在真空中传播，是宇宙星际间发送能量的主要方式。通过声子传播的方式有“传导”、“对流”两种。粒子震动会激发声子，当两个物体接触，声子就可以通过传导传递对量；在流体中，还可以通过对流，加速热量的传递。

根据古典力学的观点，声子只能在物质之间传递热量，无法在真空环境中传播。但随着量子力学发展，科学家开始猜测，声子或许也可以在真空中传热。根据量子力学，我们无法同时确定粒子在某个时间点的动量与位置；也就是说，真空不是完全空的，而是有“量子波动”（quantum fluctuations），也就是“虚粒子”（virtual particles）会不断在真空中出现与消失。

虚粒子可以传递力量，是否也可以传递热能？

科学家在几十年前发现卡西米尔效应（Casimir effect），它指的是，真空中的物体会通过虚粒子产生交互作用力。物理学家开始思考，虚粒子可以传递力量，它们是否也可以传递热能？

根据物理学家的模型，在真空中有两个分开放置且温度不同的物体，物体可以通过声子，将热量传递给真空中的虚粒子，而虚粒子再将热量传给另一个物体。

这种热量传递方式引发物理界的争辩，除了它实际是否可行之外，传热效率也是物理学家的争论点。不同理论物理学家算出来的数字有很大差异。而且这种传热方式必须在纳米尺度下才观测得到，在这种距离下，静电与其它作用会产生干扰，因此很难观测声子在真空中的传热效果。

加州大学设计实验，成功测量传热效率

因此，加州大学柏克利分校的研究团队展开声子在真空中传热的效率测量实验。他们使用两片厚度只有100纳米的氮化硅薄膜，由于薄膜的厚度很薄，质量很小，因此研究团队可以清楚观察到薄膜之间的能量传递效应。

薄膜的原子振荡会导致薄膜震动。研究团队发现，如果两片薄膜的尺寸相同，但温度不同，他们震动的频率就会不同。研究团队打造两片不同尺寸的薄膜，让它们分别在摄氏13.85度和39.35度的温度下，都能以每秒191,600次的频率震动。

经过一连串的实验，研究团队发现，当两张薄膜的距离低于600纳米时，它们的温度会产生变化，而且无法使用传导、辐射等模型解释；当距离低于400纳米，热交换的速度提升，薄膜的温度也发生明显变化。研究团队观测声子在真空中传递能量的最高效率：每秒6.5 x 10^-21焦耳。用这个速度算，如果声子在真空中传递能量，需要50秒才能传递一个可见光光子的能量。虽然效率比辐射低，但它可是科学家新发现的热能传递机制。

电子设备微型化，量子波动传热效应的影响也会增加

主导实验的物理学家张翔（Xiang Zhang）表示，理论上恒星也可以借由量子波动，通过声子将能量传递给其他星球；但由于星际之间的距离相当庞大，因此相较于辐射，通过声子传递的能量小到可以忽略。

但随着电子设备的微小化，这种热传递效应也会随之增强，因此该研究可以帮助工程师了解微型电子设备的发热与热传问题。以半导体为例，现在先进制程已在7纳米以下，是量子传热会有影响的距离，加州大学研究团队的发现，可提供芯片设计、制造厂新的洞见，或许可以解决过去难以解决的瓶颈，提升半导体的性能与制造效率。