卡西米尔效应发表评论(0)编辑词条

卡西米尔效应

卡西米尔效应

概念
　　简单地说，卡西米尔效应(Casimir effect)就是在真空中两片平行的平坦金属板之间的吸引压力。这种压力是由平板之间空间中的虚粒子(virtual particle)的数目比正常数目减小造成的。

原理
　　大多数人认为，真空是空荡荡的。但是，根据量子电动力学（一门在非常小的规模上描述宇宙行为的理论），没有比这种观点更加荒谬的了。实际上，真空中到处充满着称作“零点能”的电磁能，这正是麦克莱希望加以利用的能量。“零点能”中的“零”指的是，如果把宇宙温度降至绝对零度（宇宙可能的最低能态），部分能量就可能保留下来。实际上，这种能量是相当多的。物理学家对究竟有多少能量仍存在分歧，但麦克莱已经计算出，大小相当于一个质子的真空区所含的能量可能与整个宇宙中所有物质所含的能量一样多。

实验测量
　　1948年，荷兰物理学家亨德里克·卡西米尔(Hendrik Casimir, 1909-2000)提出了一项检测这种能量存在的方案。从理论上看，真空能量以粒子的形态出现，并不断以微小的规模形成和消失。在正常情况下。真空中充满着几乎各种波长的粒子，但卡西米尔认为，如果使两个不带电的金属薄盘紧紧靠在一起，较长的波长就会被排除出去。接着，金属盘外的其他波就会产生一种往往使它们相互聚拢的力，金属盘越靠近，两者之间的吸引力就越强，这种现象就是所谓的卡西米尔效应。1996 年，物理学家首次对它进行了测定，实际测量结果与理论计算结果十分吻合。

图片说明
　　卡西米尔效应：来自真空的力量
　　影像提供及版权：Umar Mohideen (U. California at Riverside)
　　说明：这颗小圆球提供了宇宙将一直膨胀下去的证据。这颗直径稍比百分之一公分大的球，会在真空能量起伏的感应下，移向表面平坦的平滑区域。这种吸引力被称为卡西米尔效应，它的发现者在五十年前提出这种效应，目的在了解为什么像蛋黄酱一样的液体，流动的速度为何会如此的慢。不过现在已经有相当多的证据显示，宇宙中大部份能量密度的形态仍然未知，目前暂时被称为是暗能量。虽然目前对暗能量的形态和起源几乎完全未知，不过科学家认为它可能和空间本身所产生的真空起伏有关，或者说与卡西米尔效应有关联。这种巨大但神秘的暗能量，在重力上会排斥所有的物质，因此可能会造成宇宙不停地膨胀的结果。了解真空起伏，是现在科学研究的最前缘课题，它不但有助于我们更了解我们的宇宙，也可以帮助我们找出防止微机械零件粘着在一起的方法。

通过卡西米尔效应研究量子真空虚光子
　　根据量子场论，任何振动物体都会被真空中的虚粒子减速。5月26日的《Physical Review Letters》杂志上，物理学家们提出一种方案，通过一端振动的反射腔探测这种效应，光子在反射腔中反弹，并且被超冷原子放大。这个实验是从技术上说可行的、能够直接观察到虚粒子对运动物体作用的方法。
　　量子场论认为，真空中充满了虚光子，这种光子以恒定的速度不断产生和湮灭。虚光子的一种可观测效应是两个间隔纳米距离的物体之间的卡西米尔效应。当一个物体快速振动时，会产生这种很弱的动力学卡西米尔效应：在一个理想界面上没有平行电场和垂直磁场，而在它周围则充满了虚光子产生的电磁场。当这个界面前后运动时，电磁场发生规律性变化，也就是产生了光子。界面的振动能释放出来，振动受到阻力。
　　美国达特茅斯学院和意大利帕多瓦大学的Roberto Onofrio说，这个效应产生的光子数量非常少，所以唯一能够探测到光子的方法是使用共振腔，把光子聚集到一起放大。Onofrio和同事们通过振动共振腔一端的膜把光子束缚在腔内，就像是鼓一样。研究人员们首先需要找到一种机械设备来放大光子。他们能够找到的氮化铝薄膜能够使光子频率最大放大到3吉赫兹。因为振动过程中产生的都是能量相同的光子对，所以每个光子的频率为1.5吉赫兹，处于微波波段。
　　虽然光子的数量少、能量低，很难被观察到，但是研究人员们通过原子的超冷态（玻色-爱因斯坦凝聚态）可以放大光子能量。1.5吉赫兹的能量正好是钠原子中两条能级间的能量差。为了放大卡西米尔光子的能量，钠的玻色-爱因斯坦态首先被激光激发到较高能级，然后利用卡西米尔光子轰击它，玻色-爱因斯坦态整体退激发到较低能级，放出大量光子。这个效应称为超辐射，在其它过程中也观察到过，它可以把卡西米尔光子信号放大十亿倍。
　　Old Dominion大学的Charles Sukenik说：“如果这个实验成功的话，它将证明量子力学真空不仅仅只是一个为了理论方便而构造的概念。”