【康沃真空網(wǎng)】早在上中學(xué)時(shí)，我們就知道傳熱一共有三種方式，熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射。如今，這一教科書上的知識(shí)要被改寫了。
近期，一篇發(fā)表在《自然》雜志上的論文讓不少傳熱學(xué)、物理學(xué)、量子力學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)家們興奮不已。美國加州大學(xué)伯克利分校教授、香港大學(xué)校長張翔帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，首次通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了在納米尺度下、發(fā)生在真空環(huán)境中的聲子傳熱。這宣告著，經(jīng)過幾十年、幾代科學(xué)家的不懈努力，人類終于成功發(fā)現(xiàn)并捕捉到了這種全新的傳熱方式。
圖 | 現(xiàn)代電子設(shè)備消耗著大量的能量，科學(xué)家們一直希望可以找到更加高效的散熱手段。（來源：MIT TECHNOLOGY REVIEW）
而且，這不僅是基礎(chǔ)科學(xué)的突破，也將有望對(duì)現(xiàn)代集成電路、微加工、高精度顯微鏡、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存等諸多領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
“訓(xùn)練一個(gè)人工智能模型的碳排放比五輛車還要多” “比特幣挖礦造成的碳排放相當(dāng)于拉斯維加斯全城的排放” “法蘭克福的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能耗比機(jī)場還高”……在數(shù)字化、信息化高速發(fā)展的今天，以大規(guī)模集成電路為代表的信息設(shè)備消耗著大量的能量，而這些能量中有一大部分都被用于散熱和冷卻。然而，面對(duì)信息技術(shù)領(lǐng)域的迅速發(fā)展，傳熱學(xué)，這個(gè)曾經(jīng)催生了火車、汽車、飛機(jī)、火箭、發(fā)電廠的“古老”學(xué)科，卻遇到了新的挑戰(zhàn)：科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)，在電子器件常見的納米尺度上，傳熱量有時(shí)可以比按照傳統(tǒng)理論計(jì)算出來的高出一個(gè)數(shù)量級(jí)還多。
這股“幽靈”一般多出來的熱流，一直困擾著學(xué)界。
直到最近，在量子力學(xué)的幫助下，人類才終于理解并準(zhǔn)確測量出了第四種傳熱方式——真空聲子傳熱。
神秘的熱流
熱量會(huì)自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體。傳熱學(xué)是日常生活中就能觀察到的常識(shí)，也是現(xiàn)代工業(yè)，尤其是第一次工業(yè)革命的基石之一。正是由于傳熱學(xué)的發(fā)展，蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等設(shè)備得以發(fā)明，發(fā)電廠、汽車、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等設(shè)備得以出現(xiàn)，現(xiàn)代工業(yè)社會(huì)的面貌得以奠基。
中學(xué)的時(shí)候我們就學(xué)到，傳熱一共有三種形式：
1. 熱傳導(dǎo)：熱量以振動(dòng)能的形式從一個(gè)分子傳遞給另一個(gè)分子，比如做飯的時(shí)候熱量從鍋底的下表面?zhèn)鬟f到上表面；
2. 熱對(duì)流：流體的宏觀運(yùn)動(dòng)、混合引起的熱量傳遞，比如沸騰的水把熱量傳遞給在里面翻滾的餃子；
3. 熱輻射：熱量通過電磁波的形式進(jìn)行傳遞，比如太陽把溫暖帶給地球。
圖 | 熱傳導(dǎo)——晶體中的聲子傳播會(huì)帶來熱量的傳遞。（來源：Wikipedia）
顯而易見，不論是熱傳導(dǎo)還是熱對(duì)流，它們的發(fā)生都離不開實(shí)打?qū)嵉奈镔|(zhì)——也就是介質(zhì)的參與。對(duì)于前者來說，熱量只能在物體內(nèi)部、或者緊密貼合的物體之間傳遞；而對(duì)于后者來說，要想傳熱必須有流體分子的存在。
因此，如果兩個(gè)物體彼此分離，中間又只有真空的話，那么在它們之間能夠發(fā)生的唯一的傳熱方式就是熱輻射。畢竟，真空里面什么都沒有，想把熱量傳遞出去，只能通過不依賴介質(zhì)就可以傳播的電磁波?？茖W(xué)家們也很早就精確計(jì)算出了熱輻射可以傳遞的熱量，用以指導(dǎo)包括鍋爐、暖氣、航天器在內(nèi)的很多設(shè)備的生產(chǎn)制造。
然而，上世紀(jì) 60 年代，科學(xué)家們在實(shí)驗(yàn)中卻發(fā)現(xiàn)了一件神奇的事情。當(dāng)處于真空中的兩個(gè)物體間隔距離非常近、近到 1 微米甚至更小的時(shí)候，它們之間的傳熱量，可以比按照熱輻射計(jì)算出來的熱流要高得多，甚至可以高出超過一個(gè)數(shù)量級(jí)。
隨著一項(xiàng)又一項(xiàng)的實(shí)驗(yàn)證明了這個(gè)現(xiàn)象，科學(xué)家們開始意識(shí)到，搞不好，除了熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射，還存在著第四種傳熱方式，而且這種傳熱方式可以在真空中進(jìn)行。
這第四種傳熱方式，如果存在的話，究竟是什么呢？
第四種傳熱方式
“遇事不決，量子力學(xué)”。面對(duì)這種神秘的熱量傳遞，量子力學(xué)還真給出了自己的解釋。
對(duì)于絕大多數(shù)學(xué)科來說，真空就是真空，真空意味著這個(gè)空間里面一個(gè)粒子都沒有。但是，對(duì)于量子力學(xué)來說，真空卻一點(diǎn)都“不空”。
量子力學(xué)認(rèn)為，真空中雖然沒有任何的實(shí)粒子，卻存在著所謂的“虛粒子”。這些虛粒子以正反粒子的形式成對(duì)出現(xiàn)——出現(xiàn)一個(gè)正的虛粒子，就會(huì)同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)反的虛粒子，然后它們又會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)湮滅。好比沸水中翻滾的泡泡，有的出現(xiàn)了，有的卻在消失。真空也是如此，看上去什么都沒有，但虛粒子卻十分活躍地玩著出現(xiàn)又湮滅的游戲。
這不是一個(gè)假說，而是實(shí)打?qū)嵉卦趯?shí)驗(yàn)中觀測到的結(jié)果。而虛粒子的不斷產(chǎn)生和湮滅，還會(huì)產(chǎn)生力的作用。在真空中，如果把兩個(gè)很薄很薄的平板放得很近很近，那么它們兩個(gè)就會(huì)被虛粒子推向彼此、最后吸在一起，好像它們之間存在某種神奇的引力一樣。而這種可以穿越真空的作用力，叫做卡西米爾效應(yīng)（Casimir effect）。
既然卡西米爾力可以把兩塊板子推到一起，那么，它能不能像晶體里面的熱傳導(dǎo)一樣，引起離得很近的兩個(gè)物體內(nèi)部分子的振動(dòng)、從而隔著真空實(shí)現(xiàn)聲子傳熱呢？
盡管聽上去有些道理，但到底能不能發(fā)生真空聲子傳熱、在多近的距離上可以發(fā)生、傳熱的量有多大，不同的科學(xué)家給出的估算有著很大的差異。各種計(jì)算之間唯一的共性，就是這種傳熱發(fā)生在納米尺度上，但有的模型估算出來是幾百納米，有的卻要小得多。
計(jì)算尚且如此困難，測量就更加困難了——在納米尺度上，靜電等其它相互作用非常強(qiáng)，會(huì)給傳熱的測量帶來很大的干擾。沒法準(zhǔn)確測量，就沒法用準(zhǔn)確的物理和數(shù)學(xué)模型來描述真空聲子傳熱。因此，只有用實(shí)驗(yàn)的方法發(fā)現(xiàn)真空聲子傳熱，才能做實(shí)這第四種傳熱機(jī)制的存在。
精密的實(shí)驗(yàn)
張翔團(tuán)隊(duì)使用了一套十分精密的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，測量出了發(fā)生在兩個(gè)平行放置的納米薄膜之間的微小傳熱。
圖 | 精密的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。（來源：UC Berkley）
這套設(shè)備的核心，是兩片厚度只有 100 納米的氮化硅薄膜。這個(gè)厚度差不多是一根頭發(fā)絲直徑的 1/500。為了提高測量卡西米爾力的準(zhǔn)確度，他們把這兩片薄膜在真空中平行放置，平行到薄膜之間的夾角不超過 10-4 rad。又把薄膜做到了非常光滑，表面的凹凸連 1.5 納米都不到。
為了探測出薄膜的溫度，他們在薄膜的表面覆蓋了薄薄的一層金反射層，并使用了非常精密的光學(xué)儀器來探測薄膜的振動(dòng)頻率——這和溫度息息相關(guān)。
實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)完成后，每次測量還需要 4 個(gè)小時(shí)來進(jìn)行調(diào)試，確保達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需的溫度等一系列苛刻的條件。
終于，經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，研究人員看到了自己期待已久的結(jié)果：
圖 | 實(shí)驗(yàn)原理：熱端的溫度一開始與冷端不同。隨著距離的靠近，卡西米爾力會(huì)讓兩者的溫度趨于一致。（來源：Fong et al., 2019）
當(dāng)兩個(gè)薄膜的距離還比較遠(yuǎn)的時(shí)候，在熱源的作用下，它們各自的模式溫度（Ti’）都和熱源溫度（Ti）是一致的；而當(dāng)兩個(gè)薄膜的距離越來越近的時(shí)候（小于幾百納米），卡西米爾力就會(huì)開始發(fā)揮作用，讓兩個(gè)薄膜的模式溫度（Ti’）發(fā)生明顯的變化。
在實(shí)驗(yàn)中，他們發(fā)現(xiàn)，盡管冷熱兩個(gè)熱源的溫度差高達(dá) 25 度，但隨著距離 d 的縮短，真空聲子傳熱卻讓兩個(gè)薄膜最后的模式溫度相差無幾。也就是說，只要距離足夠近，熱量就可以穿越真空，從高溫的薄膜傳遞到低溫的薄膜。而這個(gè)過程中，熱輻射所能引起的傳熱連 4% 都不到。因此，研究人員得出結(jié)論，決定性的傳熱機(jī)制就是真空聲子傳熱。
他們還根據(jù)量子力學(xué)提出了計(jì)算真空聲子傳熱的理論計(jì)算模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)測量的數(shù)據(jù)非常吻合。
就這樣，繼熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射之后，第四種傳熱方式橫空出世。
深遠(yuǎn)的影響
盡管對(duì)于太陽光在宇宙中的傳播、甚至熱量在暖水瓶的真空保溫層中傳遞來講，真空聲子傳熱的熱流在宏觀尺度上的大小可以忽略不計(jì)，但在微觀尺度上，理解并掌握這種原理就顯得非常重要了。
對(duì)于大規(guī)模集成電路來說，現(xiàn)在的芯片工藝已經(jīng)從 14 納米、7 納米逐漸逼近摩爾定律的物理極限。如果可以在微觀層面上設(shè)計(jì)出集成電路內(nèi)部的散熱系統(tǒng)，將有望大幅改進(jìn)電子設(shè)備的熱管理水平，進(jìn)一步縮小器件體積的同時(shí)，顯著降低能耗、減少碳排放。
對(duì)于硬盤這樣的磁性存儲(chǔ)設(shè)備來說，磁頭和磁盤間的距離也只有幾個(gè)納米。如果可以設(shè)計(jì)出更好的散熱方式，就可以提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的密度，進(jìn)而提高設(shè)備的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存容量。這對(duì)于大數(shù)據(jù)等行業(yè)來說非常重要。
圖 | 硬盤的磁頭與磁盤。真空聲子傳熱的發(fā)現(xiàn)對(duì)于一系列領(lǐng)域都將有著深遠(yuǎn)的影響。（來源：pixabay）
類似的，在同樣為納米尺度的高精度顯微、光通信、精密加工等領(lǐng)域，更好的散熱設(shè)計(jì)也將避免熱擾動(dòng)的影響，提高設(shè)備的精確度和緊湊性。
而在更加基礎(chǔ)的科學(xué)研究領(lǐng)域，真空聲子傳熱的發(fā)現(xiàn)將有助于我們進(jìn)一步理解自然的奧妙。在最微觀的層面，這項(xiàng)機(jī)理的發(fā)現(xiàn)把傳熱學(xué)從宏觀尺度、微觀尺度進(jìn)一步帶到了量子尺度；而在最宏觀的層面，宇宙里的一些大尺度傳熱可能也和這種機(jī)理有關(guān)。
