流入-遁世
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。
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”。
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<
/p>
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
< br>的能量可能与整个宇宙中所
有物质所含的
能量一样多。<
/p>
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
< br>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<
/p>
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。
实验测
量
1948
年
，
荷
兰
物<
/p>
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
< br>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
< br>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。
现象探
究
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
< br>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。近年来，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，目
前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<
/p>
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<
/p>
[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
< br>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。
<
/p>
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
< br>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<
/p>
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。
<
/p>
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。
理论特
点
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
、<
/p>
X
、
Q
，简称<
/p>
为
SXQ
理论，
它包含了既有环量子三旋理论，
又有超弦
/M
< br>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
< br>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<
/p>
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
< br>表现出
这片区域
内的时
空弯曲<
/p>
，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
< br>际上充
满着许
多瞬时
冒出又瞬<
/p>
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
与
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
及
电磁力
等相互
作用区
< br>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
< br>论
的引
力方程入手。
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
< br>粒子的
形态出
现，并
不断以微<
/p>
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
< br>的吸引力就越
强，这种现象就是所谓的卡西米尔效应。
1
996
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。
卡西米
尔效应
-
热效应
来自国家<
/p>
技术和标准局（
NIST
）与
科罗拉
多大学
（
Univ
ersity of
Colorado
）联合实验
室
JILA
，由诺贝尔奖获得者
< br>Eric
Cornell
领导的小组
< br>第一次证实了
物理学家
Evgeny Lifschit
z
于
1955
年预言的温度可以影响<
/p>
卡西米尔力（
Casimir Force
）——这是一种当两个物体之
间距离只有五百
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