När du berör en varm yta känner du rörelse. Om du trycker handen mot en mugg te sprids värmen genom fingrarna. Det är känslan av miljarder atomer som slår samman. Små vibrationer transporterar värmeenergi från vattnet till mugg och sedan in i huden när en molekyl slår i nästa och skickar den till en tredje - och så vidare längs linjen.
Värme kan också korsa rymden som strålningsvågor, men utan strålning behöver den saker för att passera igenom - molekyler för att slå in andra molekyler. Vakuum har inga "grejer" i sig, så de tenderar att fånga värme. I jordens omloppsbana, till exempel, är en av de största tekniska utmaningarna att ta reda på hur man kyler ner ett raketfartyg.
Men nu har forskare visat att detta på mikroskopiska skalor inte är riktigt. I en ny artikel publicerad 11 december i tidskriften Nature visade fysiker att små värmevibrationer kan korsa hundratals nanometer tomt utrymme. Deras experiment utnyttjade ett otrevligt inslag i kvantvakuumet: Det är inte riktigt tomt alls.
"Vi visade att två objekt kan 'prata' med varandra över ett tomt utrymme på till exempel hundratals nanometer," sa Hao-Kun Li, medförfattare till studien. Li är fysiker vid Stanford University som arbetade med denna forskning medan han var doktorand vid University of California, Berkeley.
Hundratals nanometer är ett oändligt utrymme i mänskliga termer - några tusendels millimeter, eller lite större än ett typiskt virus. Men det är fortfarande alltför stort gap för värme att korsa, åtminstone enligt de enkla modellerna för värmeöverföring.
2011 började forskare att spekulera i att själva kvantvakuumet skulle kunna bära de molekylära vibrationerna från värme. Ett papper som publicerades i tidskriften Applied Physics Letters påpekade att vakuumförståelsen i kvantfysik förstås som en plats som strunar med energi. Slumpmässiga fluktuationer av materia och energi dyker upp och försvinner sedan, i allmänhet på skalor som är mycket mindre än människor kan föreställa sig.
Dessa fluktuationer är kaotiska och oförutsägbara. Men de kunde agera som springbrunnar för att bära en våg av värme - i form av en kvantcitation som kallas fonon - över ett gap. Om du var en fonon som gick ut för att korsa ett brett gap av, säg, några tum, skulle oddsen för de rätta svängningarna som händer i rätt ordning för att komma över dig vara så låga att strävan skulle vara meningslösa.
Men krympa skalan, visade forskarna, och oddsen förbättras. Vid ungefär 5 nanometer skulle denna konstiga kvantehoppskott bli det dominerande sättet att överföra värme över tomt utrymme - överträffa även elektromagnetisk strålning, som tidigare trott vara det enda sättet för energi att korsa ett vakuum.
Fortfarande förutspådde dessa forskare att effekten skulle vara betydande endast upp till en skala på cirka 10 nanometer. Men att se någonting på en 10 nanometer skala är svårt.
"När vi utformade experimentet insåg vi att detta inte lätt kan göras," sa Li till Live Science.
Även om effekten sker är den rumsliga skalan så liten att det inte finns något bra sätt att mäta den slutgiltigt. För att producera den första direkta observationen av värme som korsar ett vakuum, UC Berkeley fysiker räknade ut hur man ska skala experimentet vägen upp.
"Vi designade ett experiment som använder mycket mjuka mekaniska membran," vilket betyder att de är väldigt elastiska eller stretchiga, sa Li.
Om du plockar en stel stålgitarrsträng, förklarade han, kommer de resulterande vibrationerna att vara mycket mindre än de du skulle se om du plockade en mer elastisk nylongitarrsträng med samma styrka. Samma sak hände på nanoskalan i experimentet: Dessa ultraelastiska membran tillät forskarna att se små värmevibrationer som annars inte hade varit synliga. Genom att försiktigt studsa bort ljuset från dessa membran kunde forskarna observera fononer av värme som korsade det fortfarande minuscule mellanrummet.
På vägen, sa Li, kan detta arbete visa sig vara användbart - både för människor som bygger vanliga datorer och för kvantdatordesigners.
Ett viktigt problem i att bygga bättre och snabbare mikrochips är att ta reda på hur man kan sprida värme från kretsar som grupperas i små utrymmen, sade Li.
"Vår konstatering innebär faktiskt att du kan konstruera vakuumet för att sprida värme från datorchips eller nanoskalaenheter," sade han.
Om du skulle ställa in vakuumet genom att forma det ordentligt med rätt material, kan det - långt i framtiden - bli mer effektivt på att dra bort värmen från ett chip än något befintligt medium, sade han.
Teknikerna som forskarna använde kan också användas för att trassla fononerna - själva vibrationerna - över olika membran. Det skulle koppla fononerna på kvantnivå på samma sätt som kvantfysiker redan länkar fotoner, eller ljuspartiklar, som är separerade i rymden. När de var länkade kunde fononerna användas för att lagra och överföra kvantinformation för att fungera som "mekaniska kvittor" för en hypotetisk kvantdator. Och när han väl svalnat, sa han, bör fononerna vara ännu effektivare vid långvarig datalagring än traditionella qubits.
