一个物理学的基本定律，未能通过纳米尺度上的检验

最近，威廉与玛丽学院和密歇根大学研究人员的一个新的发现，改变了我们对于现代物理学中最重要的定律之一——普朗克黑体辐射定律的理解。经过一系列实验，研究人员发现，对于小于某一确定尺度的物体，普朗克辐射定律并不适用。这一发表在《自然》期刊上的新发现对从纳米科技，到我们对太阳系的理解或许都将具有深远的影响。

普朗克辐射定律

普朗克辐射定律是现代物理学的支柱，也是量子物理学中最重要的结果之一，它由德国物理学家普朗克（Max Planck）于1900年提出。这个定律阐释了物体的温度与其以电磁波形式辐射的能量之间的关系。

在20世纪初，物理学家在研究光和亚原子粒子时发现，在原子水平上，所有的物质都会表现的即像波又像粒子。光既是一种叫做光子的粒子流，同时也是振荡的电磁场中的波。光波被称为电磁辐射，我们可以看到的光（可见光）只是电磁波谱上的一小部分。

虽然在普朗克以前，人们就能很好地测量热物体辐射的完整光谱，但是没有人真正理解到底发生了什么，当时的理论无法解释这一现象。直到普朗克提出了一种理论解释，这后来也成为了量子力学的基石。

普朗克提出了“量子化”的概念。根据他的理论，光不仅仅是一种电磁波，而是量子化的电磁波。它以离散的量子（即“光子”）被发射和吸收，如此就能够解释这一现象。

此外，普朗克的理论是基于一个假设之上的，那就是光子的能量取决于它的频率。这意味着，电磁波的能量也是量子化的。他在自己的辐射定律中阐明了能量和频率之间的关系。一直以来，物理学家都假设该定律适用于宇宙中的所有物体。

实验中的谜题

但是在五年前，密歇根大学机械工程学教授Pramod Reddy的实验室发现了一种微结构，能让彼此隔绝的物体之间产生惊人的热量流动。

很长时间，他们都无法指出这一现象的根源是什么。这篇论文的第一作者Dakotah Thompson根据标准的普朗克理论进行计算，但发现计算结果似乎无法解释实验中观察到的现象。

当时，作为一名新加入Reddy实验室的研究生，教授们曾怀疑可能是Thompson的计算有误。但结果表明，他的计算是正确的。于是接下来，Thompson的任务就是要找到究竟发生了什么。

两个物体间热量流动率的极限取决于很多因素，例如物体的尺寸、温度、两个物体相对的表面，以及物体间的距离。热量在物体间会以电磁波形式传播，比如说红外辐射和可见光。

2009年，物理学家发现如果两个物体分开的间隙是纳米级的，也就是说比辐射的主要波长还要短，那么热量的流动就会以比理论预测得快10000倍。也就是说，当这些物体处于所谓的“近场”时，普朗克定律并不适用。但如果物体间的间隔比辐射的波长更大时（即所谓的“远场”），就不会出现这种情况。

实验中的谜题

在Reddy和密歇根大学的另一位械工程学教授Edgar Meyhofer的指导下，Thompson开展了一系列实验这个出乎意料的观察结果。这一次，他们怀疑，这或许与物体的厚度有关。

Reddy用钱包中的两张卡片来向Thompson解释这个概念，它把一张卡放在手掌上，另一张放在与之保持一点间隙的手指上。之后，Thompson在纳米制造厂度过数月时间，制作出与卡片形状相似、但是长度和宽度不到卡片1/1000的氮化硅（SiN）半导体平板对。最终制作出来的半导体平板的厚度在10微米到270纳米之间，Thompson将它们悬置在比人类的头发丝还要细100倍的横梁上。

○  温度较高的辐射物体（红色）与温度较低的接收辐射的物体（蓝色）悬置在非常细的横梁上，可以让辐射物体中通电流来加热，另一方面，可以通过测量接收辐射物体的温度变化来计算传递的热量。（内嵌图）SiN平板的厚度小于辐射波长，两个平板之间的距离大于辐射波长。| 图片来源：Dakotah Thompson et al.

研究人员将两个平板隔开相对远的距离——比辐射波长长一些，而平板厚度比一个波长小。然后，他们加热一个平板，并测量另一个平板上热量的增加。如果普朗克定律成立，那么第二张平板上的热量增加应该与普朗克的预测一致。但是研究人员却发现，实验中传递的辐射能量是普朗克辐射定律预测结果的100倍。

对于一个信用卡形状和大小的物体而言，热量通常从六个表面辐射，辐射强度正比于表面积。但是这个发现表明，当这些结构非常薄，薄到大约只有绿光波长一半的时候，这些边缘释放和吸收的热量远远超过预期。

○  实验测量到的热量传导率（黑色圆点实线）大于普朗克黑体辐射定律预测的值（倒三角虚线），而且如果物体的厚度越小，实验与理论预测结果的比率（红色圆点实线）就越大。| 图片来源：Dakotah Thompson et al.

在取得了实验结果后，Thompson开始与实验室的博士后Linxiao Zhu展开密切合作。Zhu为两个薄板构建了一个细致的数学模型，并试图用它来解释控制这些结构间热量传递的物理机制。

模拟的结果表明，热量流动强度增加100倍这一现象出现的原因是由电磁波在薄板内的传播方式造成的。因为电磁波会沿着与平板较长维度平行的方向传播，使得热量从边缘辐射而出。在与之相对的另一块吸收能量的平板上，同样的概念也在发挥着作用。

小尺寸，大应用

尽管辐射增强的效果在微米量级或者更小的尺寸上最明显，新兴的纳米技术或许意味着能将这些新发现可以应用到设备当中。

Reddy说：“因为我们发现了这个热量传递的机制，人们有可能用新的方式来控制热量。”

这个团队提出的应用例子包括以一种类似于电子学控制电子的方式来控制热量流动，为下一代计算机和二极管制作热晶体管。例如，未来的建筑材料可以在凉爽的夏夜释放热量，但是在冬天保存热量。太阳能电池可以将太阳光谱中没有转换为电的部分（光电效应发电的剩余部分）用于别处，比如建造一个能利用这些损耗的能量来加热水的屋顶装置。

但Reddy也告诫说，基于热量的计算装置会比电子计算机速度更慢、体积更大， 但他认为在某些情况下，以热量为基础的计算装置可能会更有优势，例如会导致传统电子设备损坏的高温环境下。

此外，从这项工作中获得的见解也可以被用于那些热辐射起着重要作用的地方，比如对行星大气、原行星形成以及天体物理现象进行模拟。

参考来源：

https://www.sciencedaily.com/releases/2018/09/180905124705.htm

https://www.wm.edu/news/stories/2018/in-nature-a-nanoscale-discovery-with-big-implications.php

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0480-9