卡西米爾效應(yīng)
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卡西米爾效應(yīng)(Casimir effect)就是在真空中兩片平行的平坦金屬板之間的吸引壓力。這種壓力是由平板之間空間中的虛粒子(virtual particle)的數(shù)目比正常數(shù)目減小造成的。這一理論的特別之處是,“卡西米爾力”通常情況下只會(huì)導(dǎo)致物體間的“相互吸引”,而并非“相互排斥”。
目錄
原理實(shí)驗(yàn)測(cè)量現(xiàn)象探究理論特點(diǎn)實(shí)驗(yàn)測(cè)量卡西米爾效應(yīng)-熱效應(yīng)相關(guān)運(yùn)用展開(kāi)原理實(shí)驗(yàn)測(cè)量現(xiàn)象探究理論特點(diǎn)實(shí)驗(yàn)測(cè)量卡西米爾效應(yīng)-熱效應(yīng)相關(guān)運(yùn)用展開(kāi)原理
大多數(shù)人認(rèn)為,真空是空蕩蕩的。但是,根據(jù)量子電動(dòng)力學(xué)(一門在非常小的規(guī)模上描述宇宙行為的理論),沒(méi)有比這種觀點(diǎn)更加荒謬的了。實(shí)際上,真空中到處充滿著稱作“零點(diǎn)能”的電磁能,這正是麥克萊希望加以利用的能量。“零點(diǎn)能”中的“零”指的是,如果把宇宙溫度降至絕對(duì)零度(宇宙可能的最低能態(tài)),部分能量就可能保留下來(lái)。實(shí)際上,這種能量是相當(dāng)多的。物理學(xué)家對(duì)究竟有多少能量仍存在分歧,但麥克萊已經(jīng)計(jì)算出,大小相當(dāng)于一個(gè)質(zhì)子的真空區(qū)所含的能量可能與整個(gè)宇宙中所有物質(zhì)所含的能量一樣多。實(shí)驗(yàn)測(cè)量
1948年,荷蘭物理學(xué)家亨德里克·卡西米爾(Hendrik Casimir, 1909-2000)提出了一項(xiàng)檢測(cè)這種能量存在的方案。從理論上看,真空能量以粒子的形態(tài)出現(xiàn),并不斷以微小的規(guī)模形成和消失。在正常情況下。真空中充滿著幾乎各種波長(zhǎng)的粒子,但卡西米爾認(rèn)為,如果使兩個(gè)不帶電的金屬薄盤緊緊靠在一起,較長(zhǎng)的波長(zhǎng)就會(huì)被排除出去。接著,金屬盤外的其他波就會(huì)產(chǎn)生一種往往使它們相互聚攏的力,金屬盤越靠近,兩者之間的吸引力就越強(qiáng),這種現(xiàn)象就是所謂的卡西米爾效應(yīng)。1996 年,物理學(xué)家首次對(duì)它進(jìn)行了測(cè)定,實(shí)際測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果十分吻合。
現(xiàn)象探究
卡西米爾效應(yīng)
理論特點(diǎn)
Experiment setup
卡西米爾效應(yīng)
實(shí)驗(yàn)測(cè)量
1948年,荷蘭物理學(xué)家亨德里克·卡西米爾(Hendrik Casimir, 1909-2000)提出了一項(xiàng)檢測(cè)這種能量存在的方案。從理論上看,真空能量以粒子的形態(tài)出現(xiàn),并不斷以微小的規(guī)模形成和消失。在正常情況下。真空中充滿著幾乎各種波長(zhǎng)的粒子,但卡西米爾認(rèn)為,如果使兩個(gè)不帶電的金屬薄盤緊緊靠在一起,較長(zhǎng)的波長(zhǎng)就會(huì)被排除出去。接著,金屬盤外的其他波就會(huì)產(chǎn)生一種往往使它們相互聚攏的力,金屬盤越靠近,兩者之間的吸引力就越強(qiáng),這種現(xiàn)象就是所謂的卡西米爾效應(yīng)。1996 年,物理學(xué)家首次對(duì)它進(jìn)行了測(cè)定,實(shí)際測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果十分吻合。卡西米爾效應(yīng)-熱效應(yīng)
來(lái)自國(guó)家技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)局(NIST)與科羅拉多大學(xué)(University of Colorado)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室JILA,由諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Eric Cornell領(lǐng)導(dǎo)的小組第一次證實(shí)了物理學(xué)家Evgeny Lifschitz于1955年預(yù)言的溫度可以影響卡西米爾力(Casimir Force)——這是一種當(dāng)兩個(gè)物體之間距離只有五百萬(wàn)分之一米(大概是一英尺的五千分之一)時(shí)才會(huì)體現(xiàn)出來(lái)的相互吸引力。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)增加了人們對(duì)卡西米爾力的理解,并且使得未來(lái)的實(shí)驗(yàn)可以更好地處理這種效應(yīng)。相關(guān)運(yùn)用
根據(jù)量子場(chǎng)論,任何振動(dòng)物體都會(huì)被真空中的虛粒子減速。5月26日的《Physical Review Letters》雜志上,物理學(xué)家們提出一種方案,通過(guò)一端振動(dòng)的反射腔探測(cè)這種效應(yīng),光子在反射腔中反彈,并且被超冷原子放大。這個(gè)實(shí)驗(yàn)是從技術(shù)上說(shuō)可行的、能夠直接觀察到虛粒子對(duì)運(yùn)動(dòng)物體作用的方法。量子場(chǎng)論認(rèn)為,真空中充滿了虛光子,這種光子以恒定的速度不斷產(chǎn)生和湮滅。虛光子的一種可觀測(cè)效應(yīng)是兩個(gè)間隔納米距離的物體之間的卡西米爾效應(yīng)。當(dāng)一個(gè)物體快速振動(dòng)時(shí),會(huì)產(chǎn)生這種很弱的動(dòng)力學(xué)卡西米爾效應(yīng):在一個(gè)理想界面上沒(méi)有平行電場(chǎng)和垂直磁場(chǎng),而在它周圍則充滿了虛光子產(chǎn)生的電磁場(chǎng)。當(dāng)這個(gè)界面前后運(yùn)動(dòng)時(shí),電磁場(chǎng)發(fā)生規(guī)律性變化,也就是產(chǎn)生了光子。界面的振動(dòng)能釋放出來(lái),振動(dòng)受到阻力。研究進(jìn)展
卡西米爾效應(yīng)最吸引人的地方就是真空不空,能量與物質(zhì)可以相互轉(zhuǎn)化。經(jīng)典的卡西米爾效應(yīng)試驗(yàn)是將兩片金屬箔放置在很近的位置,當(dāng)金屬箔之間的距離小于真空中的虛粒子的波長(zhǎng)時(shí),長(zhǎng)波排除,金屬箔外的其他波就會(huì)使靠攏。兩者距離越近,吸引力越大。這已經(jīng)在1996年為試驗(yàn)所證實(shí)。即將出版的Physical Review Letters上講,Ho Bun Chan(University of Florida)將卡西米爾效應(yīng)應(yīng)用到了計(jì)算機(jī)芯片的設(shè)計(jì)上。早在2001年,HoBun Chan就設(shè)計(jì)了一個(gè)納米杠桿,將一張極薄的金箔靠近一個(gè)極小的金球,當(dāng)兩者距離<300納米的時(shí)候,兩者就會(huì)吸引。作用力的大小與距離相關(guān),這樣就可以利用另一端做微觀世界的測(cè)力計(jì)。
來(lái)自真空的力量
卡西米爾效應(yīng)
通過(guò)卡西米爾效應(yīng)研究量子真空虛光子
根據(jù)量子場(chǎng)論,任何振動(dòng)物體都會(huì)被真空中的虛粒子減速。5月26日的《Physical Review Letters》雜志上,物理學(xué)家們提出一種方案,通過(guò)一端振動(dòng)的反射腔探測(cè)這種效應(yīng),光子在反射腔中反彈,并且被超冷原子放大。這個(gè)實(shí)驗(yàn)是從技術(shù)上說(shuō)可行的、能夠直接觀察到虛粒子對(duì)運(yùn)動(dòng)物體作用的方法。卡西米爾效應(yīng)
卡西米爾所做的研究是針對(duì)二次量子化的電磁場(chǎng)。若其中存在一些大塊的物體,可為金屬或介電材料,做成一如經(jīng)典電磁場(chǎng)所須遵從的邊界條件,這些相應(yīng)的邊界條件便影響了真空能量的計(jì)算。
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