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卡西米尔效应(Casimir effect)

(2014-08-21 03:14:30)
标签:

科学

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)的数目比正常数目小造成的。这一理论的特别之处是,“卡西米尔力”通常情况下只会导致物体间的“相互吸引”,而并非“相互排斥”。
中文名
卡西米尔效应
外文名
Casimir effect
提出者
亨德里克·卡西米尔
提出时间
1948年
应用学科
物理学
适用领域范围

1原理编辑

图中央为宇宙温度绝对零度之零点能量真空埸

图中央为宇宙温度绝对零度之零点能量真空埸

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。
平行板电容器在辐射场真空态中存在吸引力的现象称为卡西米尔效应。考虑一个辐射的电磁场,根据波粒二象性,辐射场可以看作是光子气,而光子气可看作是电磁辐射场的简谐振动电磁场量子化后,可把辐射场哈密顿写成二次量子化的形式。
可见对每个振动模式k,都有零点能(真空能)存在,这个结果是引入场量子化后的自然结果。由于真空能量的存在可以带来实验可观测的物理效应——卡什米尔效应。考虑一对距离为a的平行板电容器放在辐射场中,边界条件为:。可见随平行板距离的增大,所允许的振动模式越多,因此平行板电容器之间由于真空能量的存在而存在一种吸引力——卡什米尔力。反之如果认为不存在真空能,则没有这种力。在具体的计算过程中,由于U(a)的积分(求和)是发散的。为得到收敛的结果,数学上人为地引入一个切断因子。

2实验证明编辑

一个瑞典物理学家小组成功地实现了真正意义上的“无中生有”——首次从真空中创造出闪光。
该小组让一个特殊组件在磁场中以1/20倍光速移动,并通过改变磁场的方向导致该组件出现“震动”。这样做的结果是从真空中产生了一束粒子流——这完全符合理论预计。这一不寻常的发现被认为是物理学的一项重大进展,并引起了全世界物理学界的关注。
这一现象基于一个诡异的理论:量子力学。这一理论提出:真空并不存在,所谓的真空中其实充斥着粒子,只是这些粒子太微小,并且不断的产生和消失,因此难以探测。
但如果使用一块金属板就可能吸收这种“虚粒子”并以“实粒子”的形式辐射出来,但前提条件是这块金属板必须要以光速移动。
来自瑞典查尔姆斯理工大学的科学家小组是这样做的:他们采用了一个超导量子干涉器件(SQUID),这种器件对磁场非常敏感。
《自然》杂志网络版报道说,这一器件被用来充当这个金属板,并使它以5%倍光速震动,以便从真空中震出来微波光子。
实验显示真空中“凭空出现”的光子频率约为超导量子干涉器件震动频率的一半,这完全符合量子力学原理的理论预计。
这一实验证实了物理学中著名的“卡西米尔效应”(Casimir effect),这是以荷兰物理学家亨德里克·卡西米尔(Hendrik Casimir)的名字命名的,他在上世纪40年代就提出了这一理论。
他指出,如果两块金属片之间产生力的作用,这会导致光子的产生。而此次瑞典小组使用的方法正是借助了这样一块金属片,即超导量子干涉器件。
该小组还尚未公开发表他们的发现,也尚未进行同行评议,因此他们拒绝对实验的细节发表进一步的评论。
但一位美国哈佛大学的实验物理学家费德里科·卡帕索(Federico Capasso)表示,这项实验是“一项重大进展”。卡帕索本身也是从事这方面实验研究的专家。
而约翰·潘德里(John Pendry),一位英国伦敦帝国学院的理论物理学家则认为这是一个“里程碑”。
但尽管有了这样的突破,这项实验所涉及的技术并不能被很快进行实际的应用,因为其中所涉及的能量实在太小了。

3实验测量编辑

在1948年,荷兰物理学家亨德里克·卡西米尔(Hendrik Casimir, 1909-2000)提出一项检测这种能量存在的方案。从理论上解释,真空能量以粒子形态出现,并不断以微小的规模形成与消失。在正常情况中。真空中充满着几乎各种波长粒子,但卡西米尔指出,假如使两个不带电的金属薄盘紧紧靠在一起,较长的波长就被排除出去。接着,金属盘外的其他波就会产生一种往往使其相互聚拢的力,金属盘越靠近,两者之间吸引力就越强,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测定,实际测量结果和理论计算结果十分吻合。

4现象探究编辑

卡西米尔效应

卡西米尔效应

利用自然造福人类的想法源于人类的一种深刻的、遗传的本能,因为在远古时代环境是人类生存的主要因素。制造出一个在分子尺度上的微型机械, 如马达、阀门、感应器、或者计算机,是科学家和工程师长期以来的理想。这些微型机械可以植入一个更大的结构,在人眼不能直接看到的地方进行工作,也许是在人的心脏内部,或是在其他隐蔽处。人们已经制造出一些这样的机械,如康奈尔大学的研究者用电子束在硅晶片上雕刻了一把比头发丝直径的二十分之一还细的吉他。由于微型器件的尺寸缩小到了纳米量级,卡西米尔力在它们设计和构造中的作用引起了普遍重视。当距离小于几十纳米时,和其他力相比,卡西米尔力占主导地位。结果,在纳米尺度的器件中,卡西米尔力变成了强吸引作用,本来可移动的部件粘结在一起了。可移动元件坍缩到本来不动的元件上,这不是设计家希望看到的结果。粘结和人们熟悉的毛细作用力一起,对微纳系统的结构造成了巨大破坏。因此,人们必须开发具有零或强度大大降低的卡西米尔力系统,已从边界的材料和形状全方位地对此开展探索。
2009年哈佛大学的研究小组宣布测量到了排斥性的卡西米尔力。他们采用了金、溴苯和硅组成的系统,在材料的光学误差范围内得到了与理论相一致的结果[9]。这个实验告诉人们,只要适当选择材料的光学性质,由液体所分离的两固态界面之间就可能产生排斥性力,从而可以克服微型器件的粘附困难。此外,考虑到在分层结构中或在封闭体积中,卡西米尔力也可以实现吸引和排斥之间的平衡[10],即得到具有零卡西米尔力的纳米系统。
尽管吸引效应所产生的粘附是一种有害现象,但它也可以通过起动纳米构造的硅片而在纳米系统中起到有益的作用。电磁场的真空震荡导致了平板的机械运动,给出了第一个由卡西米尔力驱动的机械装置。类似的装置可用来证明卡西米尔力对微系统振荡行为的影响。由于卡西米尔力是非线性的,从而可以用在微纳电子机械系统中。
卡西米尔力在纳米系统中的另一个重要应用是与原子-表面相互作用联系在一起的。众所周知,氢的贮存是替代石油的氢动能学的关键所在。由于这个原因,任何新的氢贮存机制都将非常重要。在氢原子或分子和碳纳米结构之间作用的卡西米尔力在吸收现象中起决定性作用。碳纳米管是一个包含几层同心六边形的石墨柱壳的纳米系统,由于单壁碳纳米管对氢贮存的潜在应用,原子和碳纳米结构之间的卡西米尔力的研究变得非常紧迫。计算表明,氢原子和分子处于多壁碳纳米管内部比外部更优先。这个结果对在碳纳米结构中贮存氢赋予了更大的希望,前景诱人。
每当一种革命性的新技术出现的时候,常常会给年轻人带来机遇,卡西米尔力在纳米机械中的应用必将为年轻人搭建起一个有声有色的新舞台。

5理论特点编辑

Experiment setup

Experiment setup

卡西米尔效应就是在真空中两片平行的平坦金属板之间的吸引压力。这一理论的特别之处是,“卡西米尔力”通常情况下只会导致物体间的“相互吸引”,而并非“相互排斥“。我们不是铁道专家和列车脱轨研究专家,对两列火车在北半球,南北方向并列平行距离很近超高速运行,会不会发生相撞没有发言权。想到火车相撞中的卡西米尔现象,是由于研究“三旋/弦/圈理论”联想到的。三旋/弦/圈这三个层次,仅是庞加莱猜的层展和呈展,也仅是在计算、应用、理解上的一种方便。如此,分别取“三旋”、“弦论”、“圈量子”的中文拼音第一个字母的大写S、X、Q,简称为SXQ理论,它包含了既有环量子三旋理论,又有超弦/M理论,还有圈量子引力理论等所曾主要表达的数学和物理内容。由于有人认为三旋/弦/圈(SXQ)理论难以实验检验,我们研究卡西米尔现象发现,环量子类似一个方板,球量子类似一个方块,从三维来说,方板有一维是对称破缺的。但正是这种破缺,使环量子和球量子的自旋如果存在辐射,那么在卡西米尔效应上是可以实验检验。这种类比模型不仅能扩展引力场方程及量子力学方程求解的思路,丰富正、负时空联络的几何图象,而且联系卡西米尔效应中两块板之间零点能的量子涨落差异,还可能揭示宇宙物质的起源以及强力、弱力和电磁力等相互作用的秘密。
卡西米尔效应

卡西米尔效应

因为如果把引力联结的两个星体比作卡西米尔效应中的两块板,再把引力场弯曲产生的凹陷图象分别粘贴在两块板相对的一面,引力就类似蛀洞的一个洞口与另一个蛀洞的洞口相对这片区域的卡西米尔效应量子涨落产生的拉力强度。原因是,虽然这种拉力强度远小于星体物质自身的能量密度,但它们已表现出这片区域内的时空弯曲,相对要大于平板外侧的时空弯曲,并是这种弯曲产生的拉力。因为按海森伯不确性原理,所谓真空实际上充满着许多瞬时冒出又瞬时消逝的基本粒子,这些基本粒子中的一部分将通过时空弯曲的凹面进行传播,结果这里的时空弯曲变成一种引力的耦合辐射。这里负能量反物质的区别是,反物质拥有正的能量,例如当电子和它的反粒子正电子碰撞时,它们就湮灭,其最终产物是携带正能量的伽玛射线。如果反物质是由负能量构成的,那么这样一种相互作用将会产生其值为零的最终能量。但不管是哪种情况,最终这里的引力场时空弯曲辐射差异产生了拉力强度。由此时空弯曲不仅造成类似纤维丛的底流形与纤维的差别,而且也是产生引力和强力弱力电磁力等相互作用区别的根本因素。因此求解引力,主要还是应该从爱因斯坦广义相对论的引力方程入手。

6实验测量编辑

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。

7热效应编辑

卡西米尔效应-热效应:来自国家技术和标准局(NIST)与科罗拉多大学(University of Colorado)联合实验室JILA,由诺贝尔奖获得者Eric Cornell领导的小组第一次证实了物理学家Evgeny Lifschitz于1955年预言的温度可以影响卡西米尔力(Casimir Force)——这是一种当两个物体之间距离只有五百万分之一米(大概是一英尺的五千分之一)时才会体现出来的相互吸引力。这项发现增加了人们对卡西米尔力的理解,并且使得未来的实验可以更好地处理这种效应。
虽然卡西米尔效应非常微弱,但是对于纳米以及毫米尺度的电力系统(NEMS:Nano-Electromechanical System&MEMS:Micro-Electromechanical System)而言是非常重要的,卡西米尔力可以将各部件粘合在一起。它使得实验桌上的小型实验(Tabletop Experimental)无法探测到除了牛顿引力和粒子物理标准模型预言的相互作用力之外的其它可能存在的微弱相互作用。在这个小组的实验中,研究者们考察了所谓的Casimir-Polder力:在中性原子(Neutral Atom)和附近物体表面之间的相互吸引力。他们将超冷铷原子(Ultracold Rubidium Atom)放置在离玻璃表面只有几微米(Micron)的地方。在将玻璃的温度升高到原来的两倍、也就是600开尔文的同时保持环境温度在室温左右,这使得玻璃对于原子的吸引力增加了三倍左右,这个结果证实了由来自意大利特兰托(Trento)的理论合作者提出的理论预言。
这些现象到底是怎么回事呢?卡西米尔力是真空效应的体现。按照量子力学理论,真空中每时每刻到处都充满了稍瞬即逝的电磁波,这些电磁波是由电场和磁场组成的。电场会对原子中的电荷产生扰动,使之重新分布,也就是说会使得原子极化。这种极化的原子会受到来自电场的作用力。由于玻璃的存在,真空中的电场分布会被改变,产生电场最大的区域,这就会吸引极化的原子。另外,在玻璃内部的热同样会产生逃离(fleeting)的电磁波,其中有一部分会渗出玻璃的表面而成为“消逝波”(Evanescent Wave)。这些消逝波中的电场分量在玻璃的表面达到极大,从而增加对极化原子的吸引力。除玻璃之外的周遭环境中由于热产生的电磁波通常会抵消玻璃表面由于内部热量导致的吸引力。但是提高玻璃的温度可以使得玻璃内部热量产生的吸引力居于主导地位,从而增加玻璃和原子之间的吸引力。

8相关运用编辑

根据量子场论,任何振动物体都会被真空中的虚粒子减速。May 26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。”

9研究进展编辑

卡西米尔效应最吸引人的地方就是真空不空,能量与物质可以相互转化。经典的卡西米尔效应试验是将两片金属箔放置在很近的位置,当金属箔之间的距离小于真空中的虚粒子的波长时,长波排除,金属箔外的其他波就会使靠拢。两者距离越近,吸引力越大。这已经在1996年为试验所证实。即将出版的Physical Review Letters上讲,Ho Bun Chan(University of Florida)将卡西米尔效应应用到了计算机芯片的设计上。早在2001年,HoBun Chan就设计了一个纳米杠杆,将一张极薄的金箔靠近一个极小的金球,当两者距离<300纳米的时候,两者就会吸引。作用力的大小与距离相关,这样就可以利用另一端做微观世界的测力计。
Ho Bun Chan也证明如果将金箔换为硅片,同样的效应也会发生。因此对计算机芯片的设计也具有指导意义。因为芯片厂会发现当硅片上的元件小到一定尺度,他们就会沾到一起。然而更有意思的是,卡西米尔效应还有可能成为排斥力。根据Lifshitz(也就是Landau的理论物理学讲义的合作者)如果将金属箔和真空换为适当的物质和液体,吸引力就可以变为排斥力。哈佛大学的Capasso博士正带领他的小组在向这个方向努力。因为如果这种天然的排斥力可以形成,我们就可以制造没有摩擦力的微观轴承了。
来自真空的力量
卡西米尔效应

卡西米尔效应

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,暂时被称为是暗能量。虽然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。
卡西米尔效应计算
卡西米尔所做的研究是针对二次量子化的电磁场。若其中存在一些大块的物体,可为金属或介电材料,做成一如经典电磁场所须遵从的边界条件,这些相应的边界条件便影响了真空能量的计算。
举例来说,考虑金属腔室中电磁场真空期望值的计算;这样的金属腔实例如雷达波腔或微波波导。这样的例子中,正确找出场的零点能量的方法是将腔中驻波能量加总起来。每一个可能的驻波对应了一种能量值;例如,第n个驻波的能量值是En。腔室中电磁场的真空期望值则为:
此和是对所有可能驻波的n加总起来。1/2的因子反映出被加总的是零点能量(此1/2与方程的1/2相同)。以这样方式写出,很明显地和会发散;然而也是可以将它写成有限值的表示。
特别来说,可能会有人问为何零点能量会和腔室形状s相依?原因是:每个能阶都和形状相依,因此应该将能阶以及真空期望值写成形状s的函数。再此可以得到一项观察:在腔室壁上每个点p的力等同于壁形状s出现微扰时的真空能量变动,这样的形状微扰可写为δs,是位置点p的函数。因此得到:
此值在许多实际场合是有限的。

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