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为什么光能在真空中传播,而声音不能?


潘安

(我平时很少回答长文,没有精力去做,趁着假期写一下好了)。

首先,这个题不严谨。

声音可以在真空中极短距离传播(600nm),原理是量子涨落,参考如下最近论文。

论文通讯作者张翔老师(大佬,原先在 UCB,现在港大校长)认为,由于分子振动也是声音传播的基础,因此这一发现暗示了声音也可以通过真空传播。

对于真空能传递热量和声音这件事情,早在几十年前就已经做出预测。


真空也会产生压力

1948 年,一位名叫卡西米尔的荷兰物理学家预测,在真空中的两块中性的金属板会受到压力的作用而相互靠近。

当金属板的距离缩小到 10 纳米,也就是大约 100 个原子直径时,真空施加的压力将会达到 1 个大气压。

十年后,他的预言得到了实验验证。

为何真空会产生压力呢?“真空”真的是空无一物吗?量子力学不这么认为。

量子力学认为,一个物体的位置和速度不可能同时测准,也就是说物体不可能完全静止下来(否则速度精确为零)。这也就意味着,即使处在最低能量的状态,能量也不可能为零。

对于电磁波也是一样,量子场论指出,即使一个空间中没有任何原子、没有光,但其中仍然存在一些量子场的波动。

就好像有无数弹簧和小球充满了我们所在的空间,而且在不停地振动。这种现象被物理学家叫做量子涨落

一般情况下,这些振动产生的效应是相互抵消的,但是当空间中加入金属板后,一切都变得不一样了。

两个非常平滑的金属板相互靠近时,金属板之间因量子涨落产生的电磁波会受到限制,只有一些特殊的波会存在,它们在金属板表面处的振幅必须为 0。

而在金属板外,电磁波不会受到这样的限制,因此外部存在的电磁波模式会多于内部。

电磁波的照射,本质上就是光子打在金属板上,会产生压力。

外面的电磁波模式更多,产生的压力也更大,所以会产生一个总体向内的压力。

这一物理现象被称为卡西米尔效应,真空产生的力也被叫做卡西米尔力

壁虎的脚能粘到墙上,就是卡西米尔力宏观体现的一个例子。

但是这种力随着距离的增加而迅速下降,只有在亚微米的距离上才能观测到。直到纳米技术的发展才让观测卡西米尔力成为可能。

除了宏观可见的压力,卡西米尔力也会附带产生其他物理现象,比如不借助热辐射,就是可以在两个不接触的物体之间传递热量。


真空热传导

热量,其实就是物体内部原子振动,物理学家把这种原子的集体振动叫做声子。声子不是真实的粒子,只是描述原子振动模式的一种“准粒子”。

在这些声子的作用下,物体的表面会随着时间而起伏。当两个物体相互靠近时,由于第一个物体表面的起伏,第二个物体因受到卡西米尔力的作用,也会同样起伏。

因此,声子就这样穿过真空,传输到了第二个物体上。

声子是热量的载体,当卡西米尔力将声子通过真空间隙传递时,热量也会同时被传递过去。

真空涨落产生的电磁波(也就是光子)就像弹簧一样把两个物体连接起来。较热物体中的声子可以将热能传递给光子,然后光子继续将能量传递给较冷物体。

原则上,太阳产生的热量也会通过这种方式传递给地球,但是日地距离太远了,主要的热量还是通过太阳光来传递。

当两者距离很小时,卡西米尔效应产生的热传导将超过热辐射,占据主导地位。

这种由卡西米尔力传导热量的现象,早在 2011 年就已经被理论模型所预测,但是这种效应太微弱了,很容易被其他现象掩盖。

现在,加州大学伯克利分校的科学家们,通过实验精确测量了这种传热模式。

张翔团队和花费了四年的时间,才完成了实验的设计和测量。

实验对温度、距离和对齐方式的要求非常苛刻。炎热的天气会使实验室升温,在夏季无法进行实验。此外,测量本身要花费很长时间才能消除噪声,测量每个数据点都需要花费四个小时。


真的可以

要证明真空中能实现热传导,团队在真空环境里放了两片氮化硅膜,它们之间相距几百纳米。

两片氮化硅膜的尺寸不一样,一片是 330×330 微米,另一片是 280×280 微米,但厚度都是 0.1 微米。

为了产生卡西米尔效应,科学家在每片氮化硅膜的两面都镀了金 (75 纳米) ,在真空中反射电磁波。

两片薄膜之所以面积不一样,是为了让二者在不同的温度下有相同的振动频率,让两片薄膜达到共振,更高效地交换能量。

另外,两侧还要用激光干涉技术来测量膜表面的分子热运动。

既然加了激光,就要避免热光加热 (Thermo-Optical Heating) 产生的影响,最大程度保证温度的升高就是来自真空热传导。于是,团队用最低功率的激光,以 20dB 的信噪比解决了基本频率下的热机械噪音。

要证明热传导真的发生,只要加热其中一片氮化硅膜,看另外一片有没有被加热。

结果发现,另一片氮化硅膜真的被加热了,因为膜两侧出现了温度差。在这个过程中,热辐射发出的热量相比热传导,可以忽略不计。

传输热量的多少,就与两侧的温度有关。根据热传导定律,温度差与两个相互作用的膜之间的传热量成正比。

研究人员测量了在不同距离真空间隙的条件下,膜之间传递的热量。他们发现测量结果准确地符合了卡西米尔效应传热的理论估计值。

至于温度是怎样测定的,团队依靠声子模式 (Phonon Modes) 的热布朗运动,来量化它们的温度变化。

热布朗运动的测量,可以与膜表面的原子温度关联起来,所以也可以用作为衡量温度的工具。

他们发现,当膜之间的距离小于600 纳米时,开始表现出其他现象无法解释的温度变化。在 400 纳米以下,热交换速率足以使两片膜很快达到几乎相同的温度。

研究人员由此计算出,大约需要 50 秒时间,才能将能量转移到一个可见光子中。这个数字看似微不足道,但张翔指出,它仍然构成了“物体之间热量传递的新机制”。


而长距离传播下,声音不能在真空中传播是因为,微观讲量子效应不明显,宏观讲是没有可以振动的介质。


下面简单科普一下波的概念,光波和声波都波的一种。

波主要有三种:介质波 / 机械波、电磁波、物质波。


介质波 / 机械波需要介质和振源,生活中比较常见,诸如声波、水波。

波动方程的形式为

V 是波速,它是由介质决定的,比如声波在空气中就是 340m/s。


第二类波是电磁波,像光波这样就属于电磁波,它不需要介质。

方程为


第三类是(德布罗意)物质波。德布罗意他根据类比的方法把光的波粒二象性推广到更一般的物质粒子,提出实物粒子也具有波动性,即和光一样,也具有波动 – 粒子两重性。

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