what？声音可以在真空中传播？一文了解那些颠覆常事的科学发现

回首2019年，如果一定需要一个总结词，对大多数来说可能是 covid-19（新型冠状病毒肺炎), 这种传染病来势汹汹，其对世界的影响是如此之大，让大千世界的其他一切都黯然失色。但是对于科学家来说，2019年也见证了很多科技成就的诞生。

科学技术是第一生产力，最新的科学成就不应该仅仅为科学家所熟知，普通人也应该略知一二，今天小编就为大家介绍下，人类在2019年取得的意义重大，无法忽视的科技成果。

需要指出的是，目前全球前沿科技加速推进，学科交叉融合进一步加深，下面列举的每一项科技成就都是多个学科共同发展的成果，如果要面面俱到，小编的能力和本文的篇幅都是无法达到的.

如果小编的文章成功激起了大家的兴趣，欢迎大家深入研究，毕竟“吾生有涯，而学也无涯”，“朝闻道，夕死可矣”

一 首张黑洞照片问世。

人类拍到的第一张黑洞照片.jpg

1915年，爱因斯坦广义相对论首次预言了黑洞的存在，1970年美国的“自由”号人造卫星在天鹅座X-1上发现了第一个黑洞，此后人类就一直为了“看见”黑洞而努力。2019年4月10日晚9点，数百名科学家参与合作的“事件视界望远镜（EHT）”项目在比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京和美国华盛顿，全球六地同时召开新闻发布会，发布了人类拍到的首张黑洞照片。

哈勃太空望远镜拍摄的M87星系，及其中心黑洞产生的喷流.jpeg

该黑洞位于室女座星系团中超大质量星系M87中心，距离地球5500万光年，质量为太阳的65亿倍。照片中暗弱区域即为“黑洞阴影”。通过对比观测得到的图像和爱因斯坦相对论和黑洞吸积理论预测到的图像，两者之间的吻合程度完美验证了爱因斯坦的广义相对论。实现了长久以来人类“看见”黑洞的梦想。

二 科学家首次在“超级地球”大气层发现水蒸气；

哈勃望远镜.png

2019年9月11日，加州大学洛杉矶分校的研究人员利用美国宇航局/欧空局的哈勃太空望远镜，首次在名为K2-18b的太阳系外行星的大气层中发现了水蒸气。K2-18b行星位于狮子座方向，距离地球111光年，环绕一颗质量只有太阳三分之一的红矮星运行，公转时长为33天，可能是有外星生命存在的“放大版地球”，被形容为可能是“超级地球”，也就是可能支撑生命的巨大岩石行星。

超级地球

该行星位于其恒星的宜居范围内，这一重大发现意味着此岩石行星的表面可能不仅存在着液态水，甚至还有可能孕育了一片海洋。是第一颗人类已知有水的系外行星，也是目前所知的宜居可能性最大的系外行星。

詹姆斯·韦伯望远镜

将于2021年发射的詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）和2020年底发射的大气遥感红外系外行星望远镜（ARIEL）将进一步探索研究K2-18 b行星上是否有人这一课题。

三 首次观测到三维量子霍尔效应；

三维量子霍尔效应及电荷密度波示意图。

20世纪80年代初，量子霍尔效应在二维电子体系中被发现，在凝聚态物理中催生出了一个越趋活跃的研究领域。早在1987年，Bertrand Halperin（波特兰·霍尔珀林）从理论上就预言了三维量子霍尔效应的存在和它的测量特征。

ZrTe5的晶格结构实验测量的费米面形状该费米面是封闭的表征该电子体系的三维特性三维量子霍尔现象.png

2019年5月9日，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心国际功能材料量子设计中心（ICQD）和物理系教授乔振华与南方科技大学教授张立源、新加坡科技设计大学教授杨声远、美国佛罗里达州立大学教授杨昆、麻省理工学院教授Patrick A. Lee以及布鲁海文国家实验室教授Genda Gu等在《自然》上发表文章，他们在碲化锆（ZrTe5）块体单晶体材料中首次观测到三维量子霍尔效应的明确证据，并指出该效应可能是由于磁场下相互作用产生的电荷密度波诱导的。

在这个效应中，由于维度的不同，现象背后的微观物理机制也展现其新颖与诱人的方面。该发现有望为未来的凝聚态物理的发展注入新的活力。

四 热传递的第四种方式：实现声子真空传热；

热传递的传统方式

我们知道，热量的传递途径一般分为三种，即热传导、热对流、热辐射；

热传导又称导热， 属于接触传热，由物体中分子、原子或它们的组成部分的相互碰撞、转动、震动等热运动使热量从物体中温度较高部位传递到温度较低部位或传递到与之接触的温度较低的另一物体的过程。

热对流又称对流，也属于接触传热，是指流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混引起热量传递的方式。（通过流动介质热微粒由空间的一处向另一处传播热能的现象。

热辐射，通过电磁波来传递能量的方式，是非接触能量传递方式，在真空中也能进行，而热传导和热对流在真空中是无法进行的。

量子涨落使得声子可以在真空中传递热量.jpeg

近日科学家发现了第四种热传递方式，即纳米范围内，量子波动传播。

1948年，荷兰物理学家 Hendrik casimir（亨德里克·卡西米尔）基于量子力学提出“凯西米尔效应”，预测即使在没有物质存在的真空里面，仍然能发生能量涨落。也就是说在量子物理学家看来，真空并不是一片真正的“虚空”，而是充满了量子涨落，这种量子波动也会引起声子耦合，从而促进热传递。但一直没有被证实。

热传递示意图.jpeg

2019年12月香港大学校长张翔教授带领的加州大茡伯克利分校科硏团队通过实验验证了这一假说，证明了完全真空隔开的两个物体之间的量子波动可引起热传导，热能可以跨越几百纳米的完全真空空间。

这一成果，不仅是对经典物理学的颠覆，更将对计算器芯片和其他在设计上以散热为关键考虑的纳米级电子组件产生深远的影响，对于高速计算器和大数据存储的发展也非常重要，也昭示着声音也可能在真空中传播。但需要指出的是：这种传播目前只是在几百纳米的范围内。

五 首次证实水结冰过程中“临界冰核”的存在；

相变是指自然界的物质在特定条件下会自发从一个状态变成另一状态，例如，低温下的水会结成冰，近百年前美国物理学家吉布斯等人提出“经典成核理论”，即相变需要经过“成核”过程。

12月19日中国科学院化学研究所、中国科学院大学及河北工业大学研究人员王健君等人证实了水结冰过程中临界冰核的存在，并给出了临界冰核的尺寸和过冷温度的相互关系。

(a) 不同纳米片冰成核能力的突变.png

他们发现含有8纳米尺寸氧化石墨烯的水滴，在摄氏零下27.6度时结冰；含有11纳米氧化石墨烯的水滴，在摄氏零下17.6度就开始结冰。

(b) 氧化石墨烯表面冰成核自由能垒的突变.png

最终，他们从一系列的数据中获得定量关系，当成核温度和纳米氧化石墨烯尺寸的乘积等于200时，水结冰。也就是说，纳米颗粒尺寸在促进冰成核能力方面的尺寸阈值现象是普遍的，与过冷温度成反比关系，而几乎不依赖于纳米颗粒的种类、表面化学性质等特征。

“结冰”作为一个自然界的普遍现象，这一发现可以对地球上的气候、地质及生命过程产生巨大影响，在化学工业、低温生物学、材料科学等领域也会发挥着至关重要的作用，而一个意外之喜是，这一发现还有助于研发更美味的冰激凌，相信看到这里的读者都会感到开心吧。