卡西米尔效应.docVIP

卡西米尔效应 前言：在真空中会出现一些比较特殊的效应,卡西米尔效应就是其中一个奇特的量子效应。如果让两块金属面板在真空中相对放置会发生什么情况呢 ? 你的第一反应也许是 “根本不会有任何事情发生” 。 而实际上 ,两块金属面板将由于真空的存在而相互吸引 。 这一令人惊奇的现象是由荷兰理论物理学家亨德里克· 卡西米尔 ( H endr ik C as im ir )于 1948 年最先预言的 ,这种现象现在被称为卡西米尔效应 。 真空中两个金属面板之间的相互作用力被称为卡西米尔力 。 卡西米尔效应是一种有关真空涨落的量子现象。 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。根据量子力学的测不准原理 , 不可能同时以较高的精确度得知一个粒子的位置和动量 。因此 , 当温度降到绝对零度时粒子必定仍然在振动 , 真空内充满着各种飞逝的粒子与电磁场 。一方面 , 由普朗克对黑体腔内电磁场的处理以及许多其他关于电磁场分析的例子可知 , 电磁场可以看作是一系列具有各种频率的简谐振动的集合 , 电磁场局域形状不同会导致这些振动模的频率分布不同 。一般情况 ,这些振动模的数目为无穷多 , 也即电磁场的自由度为无穷多 。 另一方面 ,从量子力学观点来看 ,腔内电磁场是一个具有各种频率的量子谐振子的集合 , 这个集合称为量子电磁场 。 其中 ,具有某一频率 ω和某一量子数 n 的量子态就是量子电磁场在该频率下的一种激发态 ,而 ü ω就是该频率下相应的场量子 。量子电磁场的基态 , 也即没有任何频率的场量子的态称为量子电磁场的真空态 , 这也是从量子逻辑观点所理解的经典物理学的真空态 。 这个真空态显然不是一无所有的 “虚无” , 它只是指明不存在任何场量子 ü ω而已 。仿佛一段紧绷未经激励的弦 , 其上虽无任何振动模存在 ,但并非是一无所有的 “ 虚无” ,而是一个物理系统的最低能量状态 。 由于量子谐振子的基态存在零点振动和相应的零点能 , 量子电磁场的基态也存在着零点振动和零点能 。 量子电磁场的所有模的零点振动称为量子电磁场的 “真空涨落” 。 虽然涨落的平均值为零 , 但平方平均值不为零 。 于是 ,按量子逻辑 ,经典物理学中的真空其实具有能量 ,它便是所有量子谐振子零点能之和 。真空涨落并不只是物理学家头脑中的抽象概念 ,而是具有可观测性 ,可以在微观尺度内的实验中被直接探测出来的 。卡西米尔效应就是其中之一 。在卡西米尔效应中 , 一对金属平板之间的狭窄空间可以被看作一个腔 。 电磁场在腔中来回反射 。 如果某个振动模的半波长的整数倍恰好等于腔长 , 则该振动模将被增强 ,振动模的频率对应于 “腔共振” 状态 。 与此相反 ,不符合 “腔共振” 条件的其他振动模将被抑制 。 因此 , 金属板间的狭窄空间只容许电磁场振动模中的高频成分 ( 模式) 存在其间 , 而其他那些波长较大的成分则被金属板挡在外部空间 。 这一点类似于地下的隧道管 , 一般收音机的电磁波长大于隧道口径时就无法收到信号 , 而在两块金属板间同样也会阻止波长大于其间隔距离的电磁场进入 。由于电磁场携带能量 , 所以它们在传播时会对物体表面施加压力 , 称为 “电磁场的辐射压力” 。这种辐射压力随电磁场的能量 ( 因而随电磁场的频率)的增加而增加 。在卡西米尔效应中 , 由于排除了波长较长的成分 ,金属板间存留的能量密度要比金属板外的能量密度低得多 。因此 , 金属板间的辐射压力将小于金属板外的辐射压力 , 作用在金属板两侧的辐射压力之差使两板有相互靠拢的趋势 ; 而一旦它们靠得更近 ,两者之间产生的吸引力就会更强。 一、实验证明 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