卡西米爾效應的新發現

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真空並不「空」!科學家發現透過量子漲落,熱能可在真空中傳導 – 科技新報發布於2019年12月22日

中學物理告訴我們,熱的傳播有三種方式:傳導、對流、輻射,其中的熱傳導是熱能從溫度高的地方傳到溫度低的地方之現象,這是藉由物體(可以是固體、液體、氣體)一個分子向另一個分子傳遞振動能的結果(註:金屬還包括了自由電子的移動)。也就是說,熱傳導 必須有介質才能傳遞熱量,是一種在真空的環境下無法發生的現象

在奈米線‎‎中可以觀察到不屬於熱碰撞擴散現象的 彈道輸運(Ballistic transport),亦稱作波動型傳導現象。由於沒有碰撞,因此可以讓電子、分子、聲子 (Phonon)的量子力學波動性質不被破壞。這種現象以往是在低溫且輸運長度與奈米線的直徑差不多的條件下下才能發生。但是台大凝態中心的研究團隊卻在室溫環境下,發現矽鍺奈米線的輸運長度超過8.3微米‎‎ → Observation of room-temperature ballistic thermal conduction persisting over 8.3 µm in SiGe nanowires2014 年中央研究院年輕學者研究著作獎得獎人簡介

接著來認識一下 卡西米爾效應Casimir effect

媽咪叔描述的這個真空漲落,精準的闡述了科技新報這篇文章中的熱傳播並不是熱輻射。因為熱輻射是一種電磁波,這種光子屬於「實光子」而非量子力學中的「虛粒子」。下則示範影片則是使用水中模型來模擬這種波動所產生的吸力

左方高溫T1 下的物體由於熱騷動(thermal agitation)而產生聲子,並導致物體表面出現隨時間變化的起伏。右方低溫T2的物體與左方物體之間則是真空間隙。左方表面的起伏在右方物體的表面上施加一種隨時間變化的”卡西米爾力”,這是由量子波動所引起,從而在第二個物體中產生聲子。由於聲子是熱載體,於是熱量從高溫物體轉移到低溫物體。

結論:在以往的認知中,經由真空間隙分離的兩物體之間之熱傳導是不存在的,因為這種熱傳播必須藉由晶格的振動,因此需要材料介質來傳遞熱能。在這篇研究論文 → Phonon heat transfer across a vacuum through quantum fluctuations,經由實驗證據表明聲子可以穿過真空間隙,這是藉由量子波動的影響,這種波動是量子力學中稱為海森堡不確定性原理的結果,量子波動的存在因而會巧妙地影響了周圍的物質,導致熱能透過聲子模式從熱側轉移到冷側。該實驗提供了確鑿的證據,證明卡西米爾力可以誘導傳熱。

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