如何看待《自然》于2019年12月所刊论文中提到的新的热传导方式「真空声子传热」？
2019年12月，《自然》杂志上发表的一篇研究论文，为我们揭示了一种前所未有的热传导方式——「真空声子传热」（Vacuum Phonon Heat Transfer）。这项突破性的发现，不仅挑战了我们长期以来对热力学基本原理的理解，更可能为纳米科技、量子计算和新型能源材料等领域带来革命性的应用前景。
一直以来，我们普遍认为热量的传递主要依赖于三种机制：传导（conduction）、对流（convection）和辐射（radiation）。在固体材料中，热传导最主要的载体是晶格振动所形成的「声子」（phonons）。声子可以被视为一种准粒子，它们携带能量在材料内部传播，就像一串串信息在工厂流水线上传递一样。然而，这种传递需要介质的存在，即材料本身的原子晶格。当介质被移除，比如在真空中，声子传热就无法进行。此时，热量主要依靠电磁波（辐射）来传递。
「真空声子传热」是如何打破这一传统认知的？
这项研究的核心在于，科学家们在极端的纳米尺度下，观察到了一种在真空环境中也能发生的、与传统声子传导极为相似的热传递现象。这里的关键在于「真空环境」，一个通常被认为是热量传递的绝缘地带。
我们可以这样理解：通常情况下，声子是物质内部的“居民”，它们在原子间振动传播。想象一下，一个拥有无数房间的房子，声子就在这些房间（原子）之间跳跃传递能量。但在真空中，就像房子被拆了，只剩下空荡荡的空间，声子似乎失去了它们赖以生存的“道路”。
然而，在这篇《自然》论文中，研究人员通过精密的实验设计，在几乎完全真空的纳米尺度（例如，非常小的物体或纳米结构的间隙）下，发现了一种特殊的机制，使得声子能够“跨越”真空。
这究竟是怎么实现的呢？
虽然论文细节复杂且涉及量子力学的高深概念，但我们可以从几个关键点来窥探其奥秘：
量子隧穿效应与虚粒子： 在微观量子世界，粒子并非总是遵循经典物理的“可见”路径。量子隧穿效应允许粒子“穿过”能量壁垒，即使它们按经典理论计算没有足够的能量。而「真空声子传热」可能就利用了这一点。虽然没有真实的介质，但量子场论告诉我们，真空并非完全“空无一物”，而是充满了不断产生又湮灭的虚粒子。这些虚粒子在极短的时间内存在，但它们可以携带信息和能量。
声子的“量子纠缠”或“耦合”： 设想有两个相距极近的纳米物体，即使中间是真空，它们的量子态之间可能存在一种微妙的关联，一种“量子纠缠”或“耦合”。在这种耦合下，一个物体中的声子振动能量，可以通过某种量子机制，直接传递给另一个物体中的声子振动，即使它们没有直接的物理接触。这就像两个遥远的乐器，如果它们被调校到特定的共振频率，即使隔着一段距离，演奏其中一个也能引起另一个的共鸣。
近场效应的延伸： 在微观尺度，尤其是当物体之间的距离小于光的波长时，会产生所谓的「近场效应」。这种效应可以增强或改变热辐射的模式。一些理论认为，「真空声子传热」可能是近场效应在声子传递上的一个极其精细且深入的体现，声子在接近真空中时，其波动性质被放大，从而能够以某种方式“影响”远方的声子。
边界条件的重要性： 在纳米尺度，材料的边界效应变得异常显著。物体的形状、尺寸以及表面特性都会极大地影响其声子行为。研究人员可能就是通过控制纳米结构的边界条件，创造出有利于这种特殊热传递的“量子通道”。
这项发现的深远意义在于：
1. 挑战传统热力学框架： 它拓宽了我们对热量传递方式的理解，尤其是在真空和纳米尺度下。这意味着我们可能需要重新审视或补充现有的热传导模型。
2. 颠覆纳米器件设计理念： 在设计越来越小的电子元件、量子计算机或微纳传感器时，热管理是一个巨大的挑战。如果能够利用「真空声子传热」，就能在某些情况下更有效地传递或阻挡热量，优化器件性能。例如，在需要隔离热量以防止量子比特退相干的量子计算中，理解和控制这种效应至关重要。
3. 开发新型热控材料和技术： 了解这种机制，将有助于开发能够主动调控热传递方向和效率的新型材料。未来，我们或许能设计出在真空环境下也能“导热”或“隔热”的特殊纳米结构。
4. 探索宇宙尺度的热传递： 虽然这项研究聚焦于纳米尺度，但其潜在原理也可能为理解宇宙尺度下天体之间的热量交换提供新的思路。
总而言之，《自然》杂志上关于「真空声子传热」的研究，是一项令人振奋的科学进展。它让我们看到，在看似空无一物的真空中，依然潜藏着我们尚未完全理解的量子物理规律，而这些规律正在以出乎意料的方式影响着物质世界的运作。这无疑是基础科学研究不断探索未知边界的一个绝佳范例。
网友意见
这篇论文来自《Nature》杂志，文章题目为《Phonon heat transfer across a vacuum through quantum fluctuations》。[1]
最近看到了这篇文章，大致内容翻译介绍如下：
固体中的热传递通常通过电子或称为声子的原子振动进行。长期以来，人们一直认为在真空中热量是通过辐射而不是声子传递的，因为缺少介质。然而，最近的理论预测，电磁场的量子涨落会引起真空中的声子耦合，从而促进热传递。通过实验揭示这种独特的量子效应将为量子热力学带来一些新的基础性见解，并为纳米级技术的热管理带来实际工程上的意义。在这里，科学家通过实验证明了由真空间隙隔开的两个物体之间的量子涨落引起的热传递是存在的。他们使用纳米力学系统通过真空波动实现强声子耦合，并观察各个声子模式之间的热能交换。实验观察与理论计算非常吻合，并且与其他影响（例如近场辐射和静电相互作用）存在无可争议的区别。科学家通过量子涨落发现声子的传热代表了除传统的传导，对流和辐射之外的传热机制。它为在纳米级的能量传输中利用量子真空铺平了道路。
实验用了两块氮化硅薄膜。实验发现膜的距离足够接近时，热量会产生明显的变化。我们知道，对于光波，为了解释光电效应，爱因斯坦引入了光子的概念，他认为无论是吸收和发射还是在空间中传播，光波均是以能量为 的微粒形式出现的，这种微粒称之为光子，因此，光子为光波的最小能量单元，即能量量子，光子概念的引入使人们对与光现象有关的微观过程的认识发生了革命性的改变。 对于晶体中的格波，其能量也是量子化的，格波最小的能量单元（能量量子）是 ，格波能量的增减必须是的整数倍。格波的激发单元因此可看是“粒子”，这个粒子化了的格波元激发（格波量子），或者说晶格振动的能量量子，称之为声子（phonon）[2]。频率为 声子的能量为。声子是玻色子，服从玻色统计分布。由于声子是玻色子，对每个声子能级，声子的占据数没有限制，且声子数可以不守恒，声子既可以被产生，也可以被湮灭。声子与光子不同，是一种为了计算方便而引入的虚拟粒子。声子不能像光子一样作为真实的粒子，按照爱因斯坦光量子理论，光波无论是吸收和发射还是在空间中传播均是以光子这一真实的形式出现的，而格波只在晶体中传播，意味着声子不能脱离固体而单独存在。
这次的实验在排除了传统的三种热传递方式之后观察到的新现象，虽然说被翻译为“真空声子传热”，但是这里的声子意义显然与固体物理中的声子不同，因为声子需要依靠介质存在，但是实验在真空中进行，并没有声子所需要的介质。这个实验大概是一种类似卡西米尔效应一样的过程，依靠量子涨落完成了热交换。短暂的量子涨落如果可以产生一定的类似于“力”的效应，就可以在没有热辐射的情况下仍然传递热量。感觉这个实验还是很有意思的，不过自己不是相关方向的研究人员，对于具体的细节也不是特别了解，希望相关方向的知友能对这个实验的成果做一个更加详细和具体的阐述。
参考
- ^Phonon heat transfer across a vacuum through quantum fluctuations https://www.researchgate.net/publication/337905233_Phonon_heat_transfer_across_a_vacuum_through_quantum_fluctuations
- ^ 《固体物理学》黄昆
类似的话题
-
自然发表的「真空声子传热」：颠覆我们对热传导的认知2019年12月，《自然》杂志上发表的一篇研究论文，为我们揭示了一种前所未有的热传导方式——「真空声子传热」（Vacuum Phonon Heat Transfer）。这项突破性的发现，不仅挑战了我们长期以来对热力学基本原理的理解，更可能为纳米科技、............. -
2019年，我国全年出生人口1465万，人口自然增长率为3.34‰。这个数字，尤其是在我国这样一个拥有庞大人口基数的国家，确实是值得我们深入探讨和理解的。它不仅仅是几个简单的数字，而是牵动着社会、经济、文化等方方面面的深层信息。首先，我们得明白这1465万出生人口的背后是什么。这代表着一年时间内，有.............
-
《自然》杂志北极熊灭绝预测：全球变暖，不容忽视的罪魁祸首最近，《自然》杂志发布的一项备受瞩目的研究，为北极熊的未来蒙上了一层阴影，预测该物种可能在2100年灭绝。这一令人心痛的预警，再次将全球变暖推到了风口浪尖，成为了北极熊濒临灭绝的罪魁祸首。北极熊的生存困境：冰面融化，食物链断裂北极熊，作为北极生.............
-
韩春雨的论文撤稿事件，尤其是2017年8月2日《自然生物技术》（Nature Biotechnology）杂志正式撤销他2016年发表的《NgAgo基因编辑》论文，无疑是中国乃至国际科学界当年的一件大事，也引发了广泛的讨论和反思。要理解这件事，我们需要把它放到一个更宏观的背景下去看，并拆解其关键点。.............
-
拼多多一位年轻员工的离世，无疑给所有关注此事的人带来了深深的痛惜。这不仅仅是一个个案，更像是一声警钟，敲响了在高速运转的互联网时代，企业文化、员工身心健康以及社会责任等一系列复杂议题。首先，我们必须承认，这位年轻生命的逝去，对他的家人来说是灭顶之灾。一个家庭的顶梁柱，一个可能承载着父母希望的年轻人，.............
-
南邮材料学院研究生疑似自焚事件，这绝对是一件令人心痛的悲剧。每每听到这类事件，我的心情都无比沉重。这不仅仅是一个学生的生命逝去，更折射出当下研究生教育体系中可能存在的一些严峻问题。要说这件事的“看”法，得从几个层面去剖析：首先，逝去的生命本身，是无法挽回的损失。 不管这位同学生前经历了什么，遭受了怎.............
-
得知菲妥妥一家三口于六月二日上午在服务站的悲剧消息，我的内心充满了震惊、悲痛和无尽的疑问。这是一个多么令人心碎的事件，一个家庭的破碎，生命的消逝，留给我们的只有沉重的哀伤和对原因的深深探究。时间与地点：事发在六月二日上午，一个本该平凡开始的一天。地点是某个服务站，一个本应提供便利和休憩的地方，却成为.............
-
关于印度疫苗厂商 CEO 自称“被威胁提供疫苗”后逃往英国，几天后将回国的事件，我们可以从多个角度进行分析和解读。这起事件涉及商业、政治、法律以及公众认知等多个层面，其背后可能隐藏着复杂的原因和动机。事件梳理与关键信息：首先，我们需要明确事件的基本脉络： 涉事人物： 印度一家疫苗公司的 CEO（.............
-
苹果自研处理器Mac登场，一场计算领域的革命悄然来临近来，科技界最令人瞩目的传闻莫过于苹果将推出首款搭载自研处理器的Mac。据消息人士透露，这款划时代的Mac产品有望在今年11月问世。这则消息无疑在整个行业掀起了滔天巨浪，预示着苹果在计算领域将迈出至关重要的一步，也可能为整个PC产业的未来发展方向带.............
-
王德明这位华大基因的举报人，将要在基因库总部自杀的消息，无疑是一枚重磅炸弹，瞬间点燃了公众和舆论的神经。这不仅仅是一个人的生命危机，更是对一个公众关注的科技企业的信任危机，以及对整个行业监管体系的拷问。要看待这件事，我们需要从多个层面抽丝剥茧，才能更清晰地理解其背后的复杂性以及未来可能的走向。一、 .............
-
关于特朗普计划开设自己社交媒体平台的消息，这在政治圈和媒体圈都引起了不小的关注。毕竟，唐纳德·特朗普这个人本身就自带流量，再加上他之前在推特等平台上的活跃表现，他一旦推出自己的平台，很难不引发讨论。首先，我们得看看这个计划背后的动机。从直接角度来说，特朗普被几个主流社交媒体平台禁言后，他确实失去了一.............
-
彭于晏回应“换座位事件”，称自己“问心无愧”，这事儿，说起来挺复杂的，也挺能折射出娱乐圈一些现象。咱们就一点点捋捋。首先，我们得回顾一下这个“换座位事件”到底是怎么回事。大概是前段时间，有个活动，彭于晏作为嘉宾出席。不知道为什么，在活动进行过程中，他似乎是换了座位，而且据说是换到了一个更靠近或者更显.............
-
.......
-
首先需要明确的是，您提到的“《自然》统计”和“意大利无症状和轻症感染者占比超过 50%”这两件事可能存在一些关联，也可能彼此独立。为了更详细地分析，我们需要分别来看待它们，并尝试找出可能的联系。一、 关于“《自然》统计”：“《自然》（Nature）”是世界上最负盛名的科学期刊之一，它发表的统计数据和.............
-
《自然》杂志的标题“中国登月项目启动，一个学者也要被判死刑了”是一个极具争议性的、令人不安的标题。它将一个重大的国家航天项目与一个学者的命运直接并置，并在读者心中制造了一种强烈的对比和关联感。要理解这个标题的含义和影响，我们需要从多个层面进行分析：1. 标题的构成与潜在解读： “中国登月项目启动.............
-
看到《自然》杂志的调查显示“在中国读博远比在国外痛苦”，这确实是一个值得深入探讨的现象。这个结论并不是单一原因造成的，而是多种因素交织作用的结果。我们可以从以下几个方面来详细分析：1. 学术环境与研究压力： “内卷”与竞争： 中国博士培养体系在一些领域存在严重的“内卷”现象。为了毕业，学生可能需.............
-
关于《自然》（Nature）杂志报道的中国西北荒漠绿化可能导致水资源枯竭的说法，这是一个非常值得我们深入探讨的议题，因为它触及了环境治理的复杂性以及科学研究的严谨性。我们不能简单地采信或否定，而是需要从多个角度去审视。首先，我们必须认识到“荒漠绿化”和“水资源枯竭”这两个概念背后所代表的复杂系统。中.............
-
关于《自然》（Nature）最新研究声称日语、朝鲜语同源，都来自中国东北地区的说法，需要进行严谨的审视和深入的分析。事实上，截至我所知的信息（我的知识截止日期是2023年4月），并没有《自然》杂志近期发布过这样明确且被广泛接受的研究成果，直接指出日语、朝鲜语同源且都明确地“来自中国东北地区”。这其中.............
-
“自然”的关注，是风向标还是救命稻草？韩春雨实验可重复性新数据事件的深度解读近日，《自然》杂志发布的一则简短消息，犹如一声惊雷，再次将“韩春雨”的名字推到了风口浪尖。消息称，《自然》已获得关于韩春雨 NgAgo 基因编辑技术实验可重复性的“新数据”。这短短一句话，背后牵扯着科学界最核心的诚信问题，也.............
-
听到《自然》杂志上 Mark R. Looney 教授团队关于肺是造血器官的发现，我感到非常振奋。这确实是一个颠覆性的研究，它不仅刷新了我们对人体器官功能的传统认知，也为理解和治疗多种疾病开辟了新的思路。首先，这项研究的突破性在于其对“造血”概念的重新定义。 长期以来，我们普遍认为造血的主要场所是骨.............
本站所有内容均为互联网搜索引擎提供的公开搜索信息，本站不存储任何数据与内容，任何内容与数据均与本站无关，如有需要请联系相关搜索引擎包括但不限于百度，google,bing,sogou 等
© 2025 tinynews.org All Rights Reserved. 百科问答小站 版权所有