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真空导热 精选

已有 5459 次阅读 2019-12-14 17:44 |系统分类:科普集锦


自从量子力学诞生后,真空不空的观念已经被越来越多的人所接受。量子世界的真空有点像早期的以太,可以看作是一种特殊的、与众不同的介质。这种介质有能量,叫做真空能量,它是普通量子系统中基态能量的量子场论推广版。任何的量子场都会产生真空能量,理论上计算出这个能量是四次发散的,也就是说,如果能量截断取在量子引力起作用的普朗克标度(MP=1019 GeV),对应的真空能量密度将是1076 GeV4,那么一个质子尺寸大小的体积里所拥有的质量(即能量)大约是 1050 千克,与整个宇宙的质量相当。真空能量远远大于原子的能量,我们是否可以象制造原子弹或是原子能反应堆一样制造出一个“真空弹”或“真空反应堆”,从中可以源源不断地提取能量,从而解决目前世界的能源危机?想法很简单,现实却骨感,从真空中提取能量的尝试像是新式的永动机梦想,很难成功。简单的解释是反应前后都有真空,即使真空有很大的能量,根据能量守恒,这部分的能量在反应前后抵消了,所以人类能够实现的是各种不同形式能量之间的相互转换,目前尚不能有效地把真空能量转换成其他形式的能量。如果反应前后真空不同,可以产生真空能量的转换,如真空衰变,本文不讨论这一情况。

1948 年,荷兰物理学家卡西米尔提出了一个美妙的想法。两块中性的金属板平行放置,二者之间相距为 d,两块板之间的真空能量尽管很大,却无法直接观测到。卡西米尔的想法是考虑能量的变化,两块板之间的波(如电磁波)是驻波,能量是分立的,能量之和要小于板外的连续分布的能量之和,板内外能量的不同导致力的产生,从而产生一种从板的外部向内的推力(或称压力),就像水从高处流向低处是从高势能到低势能一样,也就是说两块中性的金属板平行放置在真空中发生了相互吸引。这个力不是引力,因为引力太弱;不是电磁力,因为金属是中性的;也不是分子间的范德瓦尔斯力等等。我们把这一效应称之为卡西米尔效应,产生这种力的原因是量子涨落,即真空能量。这是一种“无中生有”的效应,于 1996 年被实验证实。

回到本文的主题,真空能够传递热量吗?一个高温物体和一个低温物体放在真空中,不接触,热量能够从高温传到低温物体吗?根据普通热学,热量的传递有三种方式:热传导、热对流、热辐射。热传导需要媒介,真空不是通常意义的媒介,故不能。热对流指的是气体或流体中的热量传输,与本文所述现象无关。热辐射是辐射出电磁波,其量子是光子,我们在火炉旁感觉暖暖的就是由于火炉里的高温物体辐射的光子打倒我们皮肤上造成的。在室温的状况下,热辐射不重要,可以忽略。那么在真空中,两个被真空隔开的温度不同的物体,在忽略热辐射的情况下,热量是不能从高温传到低温物体的,这个结论是普通的热学理论告诉我们的。

最近的一个实验给出了一个新的答案,热量可以从高温物体传到低温物体,中间无需媒介,真空能够完成这一能量传输 [1]。如下图所示,两个很薄的金属膜,平行放置在真空中,实验发现,当对右边的物体加热时,左边的温度较低物体的温度也升高,尽管二者之间是通常意义上一无所有的真空,或者说右边较热物体的热量通过真空被传到了左边较冷的物体。他们将这种通过真空产生的热效应称为热量传递的第四种方式,以区别于传统的三种方式。

 

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为什么热量可以通过真空传递呢?这是个很有意思的现象,值得花时间研究。首先我们回顾一下普通晶体中热量的传递方式。对于晶体,原子的热振动由晶格的振动来描述,晶格在平衡位置附近做近似于弹簧振子的简谐振动,振动通过格波在固体中传播,格波的量子称为声子。日常生活中的声波在固体中也是通过声子传播的,把声子看作是声波的小孩是一种形象化的描述,严格上讲声子不是真实的粒子,在固体物理中称为元激发。按照大家公认的说法,声子可以在固体这样的介质中传播,却不能在没有普通物质的真空中传播。

在上面所述的新现象—即热量的第四种传递方式中,与普通晶体中通过声子在介质中传递热量的方式不同的是声子在真空中的传播。声子要在真空中传播,过去的理论行不通了,需要新理论。从力的观点,需要新型力的帮助,这种力不是引力和电磁力,强力和弱力更是不沾边,也就是说不是我们熟悉的四种基本相互作用。那么声子靠什么传递热量?来自卡西米尔效应的启示是量子真空的能量涨落产生中性原子之间的吸引效应,从而可以诱导声子在真空中传播,将热量从高温物体传到低温物体,使得低温物体温度升高。或者用量子场论交换粒子的语言,高温物体发射一个声子,声子通过量子涨落的卡西米尔效应的吸引力,跑到了低温物体处,实现了能量的转移。所以,真空能量涨落产生的卡西米尔效应是关键,没有它就没有声子在真空中的传播,也就没有热量的传递。

实验中使用了两层镀金的氮化硅制成的薄膜,直径为 300 微米左右,一层膜与恒温热源相连,温度恒定,另一层膜温度较低,两个膜温差为 25oC。当两层膜之间间距为 1 微米时,高温的膜温度恒定,低温的膜温度几乎不变,没有热量传递,可以排除热辐射的影响。当间距降低到纳米水平时,可以观测到较冷的膜温度升高,最后达到和高温的膜相同的温度,说明热量确实发生了传递,是声子而不是光子通过真空完成了热量的传递。这是一种量子效应,间距越小,效应越明显,但是到了纳米尺寸,就跟晶格常数差不多了,两层膜快要贴到一块了。实验发现最大间距可以到几百纳米,效应仍然存在。为了测量膜表面的热扰动,实验采用了名为光学干涉测量法的技术。

这样,我们看到了真空所产生的两个效应:中性金属板之间的吸引力和热传导。需要指出的是这两个效应都很小,只能发生在纳米级别的尺度水平上。在新的实验中,声子在真空中传热可以发生在 100 纳米左右。目前的发现虽然是在实验室中实现的,将来推广到实际应用是可能的,例如一些纳米器件,智能手机中的电子元件和现代存贮器的散热性能的提高和改进等。

真空产生的效应在粒子物理中大量出现,表现在费曼图的圈图效应中,一些典型的证据有氢原子光谱的兰姆移动、电子的反常磁矩、强相互作用中的渐近自由等。兰姆移动已经应用在在现代的光学技术中,强相互作用的渐近自由体现了非阿贝尔规范场的独特性质。真空还有一些很玄妙的性质,如上面所述的真空能量密度,可以达到 1076 GeV4,与宇宙学实验观测到的暗能量的能量密度大了 120 个数量级,这可以称之为人类历史上最大的理论预言错误,如果认为真空能量被抵消了,就需要 10-120 精度的相消,导致不可思议的精细调节问题,类似的问题出现在上帝粒子——希格斯粒子的质量的自然性问题,在那里需要 10-34 水平的精细调节可以不夸张地说,对真空的理解不断地考验着人类的智慧。

真空不是一无所有,就象电子是物质一样,已经是个客观事实。对于真空的理解也在逐渐改变我们的世界观。最后,对真空提出一些个人的超出科学范围的感悟。 所有的东西,现实的和非现实的,都在真空之中,所谓的现实只是从真空涨落中呈现出来的短暂现象,就象海平面上的浪花朵朵,大量没有呈现出来的东西隐藏在真空的浩瀚海洋中,在时机成熟时,有些东西就会从大海中冒出泡来,而原来出现的浪花在昙花一现后又回归到大海中。也许我们看到的只是整个世界所显现出来的一部分而已,大量未显现的隐藏在真空中。真空似乎包含着一切可能性,现实的和理想的,并孕育着未来,决定着世界的发展。

 

 

参考文献:

[1] 新发现:热传递的第四种方式,https://mp.weixin.qq.com/s/d8TxPcBhv6OAjIenUOiyvQ




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