真空声子传热：改写教科书的第4种热传递方式被发现了

来源：量子之声

量子涨落使得声子可以在真空中传递热量。（图片来源：张翔/加州大学伯克利分校）

还记得热传递的3种方式吗？在物理课本上，除了热辐射，热传导、热对流这两种通过声子传热的方式，都无法在真空中发生。但在量子物理学家看来，真空并不是一片真正的“虚空”，而是充满了量子涨落。一项近期发表于《自然》杂志的实验就首次证明，量子效应可以让声子在真空中传递热量。终于，一种全新的热传递方式被找到了。

我们从小就会接受这样的教育：做饭时不要碰灶台上的锅，也不要靠近火焰，不然就会被烫伤。无论是通过直接接触，还是借助光的辐射，热传递总会让我们大吃苦头，并且印象深刻。

在中学物理课上，我们进一步学习了热量的3种传递方式：通过直接接触传递热量的热传导、通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。其中，除了热辐射，前两种热传递方式都无法在真空中进行。

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

热量是物体内部微观粒子无规则运动的表现——微观粒子运动更快时，物体的温度也更高。在宇宙尺度上，恒星的热量大多借助光子在真空中传递——这正是太阳从1.5亿千米外将热量传递至地球的方式。不过在地球上，多数情况下，热量以接触的方式借助声子（原子振动的集体激发）来传递的。

按照此前的观点，若想借助声子传递热量，那么两个物体必须接触，或者它们之间至少要有空气等介质的存在。如果真空将两个物体隔开，就无法通过声子传递热量了。热水壶就是根据这个原理制造的：热水壶的外壳和内胆之间被抽成了真空，这样瓶里的水就可以长时间保温了。然而随着量子力学的发展，一些科学家开始猜测，声子或许可以在真空中传热。这个猜想基于一个令人难以置信的事实：从量子力学的角度来说，空无一物的真空是不存在的。

根据量子力学的观点，宇宙在本质上就是模糊的。打个比方来说，竭尽所能，你也无法同时确定一个亚原子粒子在某一时刻的动量和位置。这种不确定性的后果就是，真空永远不完全是空的，而是充斥着量子涨落——也就是所谓的“虚粒子”的不断出现和消失。

几十年前，科学家发现虚粒子并不只存在于理论中。事实上，它们产生的力是可以被探测到的。比如卡西米尔效应——这个效应指将两个物体近距离放在真空环境中时，它们之间存在微小的引力。例如，你在真空中把两面镜子面对面放在一起，由于虚光子会不断出现和消失，其产生的力就会使镜子的表面弯曲。

这个现象激发了物理学家的思考，如果这些短暂的量子涨落能够产生真实的力，那么它们或许也能产生其他效果——比如在没有热辐射的情况下传递热量。

为了理解声子如何通过量子涨落传热，让我们假设真空中有两个分开放置且温度不同的物体。高温物体中的声子可以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。如果我们将两个物体都视为振动的原子的集合体的话，那么虚粒子就像一根弹簧，将一个物体的振动传给另外一个。