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1、卡西米尔效应能量可以是负负的吗？大话负能量l 宇宙由物质和能量组成，而实质上物质和能量又是 可以互换的。物质有正、负物质，能量也有正、负能量之 分。但正、负能量不同于正、负物质，正负物质在相遇时 会湮灭，物质百分之百转化能量，这些能量都是正的，没 有负的，而负能量却是正能量相反的概念。 l 负能量具有很多奇异的性质，当一束负能量的光照 射到物体上时，光所流动的方向竟然与一般情况下是相反 的，而且会产生负折射率。 l 再者，如果我们去推一个带有负能量的箱子，力量竟 然会作用回来，越推这个箱子它反而向发力的方向移动， 这是多么不可思议的事，在这里人们做的功竟然也都是负 功。力量越大的主体反而越吃亏
2、。大话负能量 l 同时科学家已经证明，可能存在一种 超光速的方法，这种方法就是通过负能量 来实现的。它是利用负能量的奇异性质， 用负能量将机器包裹起来，被包裹起来的 机器会自动随着这个时空泡泡前进，就像 是船在随着河流前进一样。负能量具有打 破空间的性质。因为物质与能量是空间中 的产物，所以负能量会让空间发生奇变， 使之往三维空间相反的方向移动。卡西米尔效应的原理 l 大多数人认为，真空是空荡荡的。但是，根据 量子动力学（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”的能电 磁能，这正是麦克莱希望加以利用的能量。“零 点能”中的
3、“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。 卡西米尔效应l 1948年，荷兰物理学家亨德里克卡西 米尔(Hendrik Kasimier, 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，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
4、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。这也就意味着由于真空中的 能量震荡而使得原本和为零的能量产生正负之分，既能量 可以为负，并因此使金属板间产生了吸引力。 l 卡西米尔效应l 卡西米尔效应是量子场论的自然结果；量子场论陈述了所有各式各样 的基本场例如电磁场必须在空间中每个点且处处被量子化。采单 纯的观点来说，物理场可以想作是充满空间的振动球，之间以弹簧相 连接。场的强度可以看作是球偏离其平衡位置的位移。场的振动可以 传播，并由对应于此特殊场的适当波方程所主导。量子场论的二次量 子化
5、程序要求球与弹簧的组合是呈现量子化的，也就是说场强度在空 间中每一点被量子化。正则式地来说，空间中每点的场是个谐振子， 量子化则成了每点有个量子谐振子。场的激发则对应到粒子物理学中 的基本粒子。然而，这样的图像会显示出：即使是真空也有极其复杂 的结构。所有量子场论的计算都须与这样的真空模型有所关联。 l 真空因此暗地里具有了一颗粒子所拥有的全部性质：自旋，或光的极 化，以及能量等等。若作平均，这些性质会彼此相销而得到零值 真空的“空”是以这样的概念维持着。其中一个重要的例外是真空能量或 能量的真空期望值。简谐振子的量子化过程指出存在有一个最低的能 量值，称作零点能量，此值不为零：卡西米尔效应l
6、 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。 l 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：l 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
7、有限值的表示。l卡西米尔效应示意图卡西米尔效应热效应l 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。 卡西米尔效应的实验测量l 自卡西米尔发表他的实验方案以来的半个世纪里,由于实验 条件的限制,卡西米尔效应只不过在理论上吸引了人们的好奇心, 却一直未曾被测量过,这种局面到20 世纪90 年代后期
8、才开始有 所改变。 l 1997 年美国科学家拉穆尔克斯(Lamoreaux) 最先实现了对 卡西米尔效应的测量。他的实验比卡西米尔本人提出的设想要复 杂,即采用了所谓的“球- 板结构”。整个装置由镀有铜和金的 直径为4 厘米的金属球和大约2. 5 厘米见方的镀金石英平板组 成,并被安装在一个悬挂在钨丝上的水平扭摆的端部;一台激光器 可以以0. 01 微米的精度测量扭摆的扭转,向一组压电元件施加 的一股电流使金属板移动;而一个电子反馈系统则抵消这一移动, 使扭摆保持静止。卡西米尔效应就表现为保持摆的位置所需的电 流量的变化。实验显示测量结果与卡西米尔对这一特殊的板间距 和几何构形所预测的理论结
9、果相差不超过5 %。卡西米尔效应的实验测量 l 1998 年,莫海登(Mohideen) 等人在0. 10. 9 微米的范 围内,用原子显微镜重新测量了上述“球- 板结构”的卡西米尔 效应,结果实验与理论偏差达到1 %。另外,瑞典的埃德斯 (Ederth) 也利用原子显微镜研究了卡西米尔效应,他测量了两个 相互成90放置、相距20 纳米的镀金圆柱体之间的卡西米尔效 应,其实验结果与理论期待值的偏差在1 %以内。 l 然而, 在上述实验中很少有人采用原始组态两块 平行金属板来测量卡西米尔效应,原因是这种组态要求实验中两 个金属板必须保持绝对平行,而这是很难做到的。让一个球接近 一个板面是容易的,
10、因为这两个物体之间的距离只不过是两个物 体之间最近的点之间的距离。利用球和金属板测量卡西米尔效应 的唯一缺点是此时两物体之间的卡西米尔力的计算不如一对平行 金属板之间的卡西米尔力计算得精确。尤其是不得不假设每一个 点对卡西米尔力的贡献是相互独立的,而这只有当球的半径远大 于球和平板之间的距离时才成立。卡西米尔效应的实验测量原始装置图一个有趣的现象l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
11、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。 卡西米尔效应的意义l一、对量子力学的意义 l 提供了一个实验验证量子真空概念的可行性方案 l 根据量子场论，任何振动物体都会被真空中的虚粒子减速。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。 l 美国达特茅斯学院和意大利帕多瓦大学的Roberto Onofrio说，这个
12、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。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，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。” 卡西米尔效应的意义l二、生活生产方面 l
13、 Ho Bun Chan也证明如果将金箔换 为硅片，同样的效应也会发生。因此对卡 西米尔效应得更深研究对计算机芯片的设 计也有指导意义。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。同时另一方面也有助于更好地研究 如何利用卡西米尔效应将小尺度元件紧粘 在一起。卡西米尔效应的意义l三、微观测力计 l 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。卡西米尔效应的意义l四、在万有引力方面的革新 l 通过对行星运动的观测,牛顿于300 多年前确定了 宏观意义上的万有引力定律,卡文迪许测定引力常数也有 200 多年历史。近年来理论物理学的发展使一些科学家认 为,在非常微小的尺度上,引力与距离的平方反比律可能不 成立。因此,用更精密的实验测量微小尺度上的引力,成为 非常受关注的研究课题。美国科学家日前采用频率为千赫 兹的共鸣振荡技术,测量了相隔108 微米物体之间的引力, 这是迄今为止最精密的引力测量实验。这一实验给寻找引 力定律背离的努力确定了一个新的尺度上限,即108 微米 。在用新型装置进行的实验中并未发现任何异常现象。然 而,在更小的尺度会如何? 可能将取决于对卡西米尔效应 的实验验证。
