卡西米尔效应

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简介

1948年，两位名叫卡西米尔和波尔德的科学家观察到：如果将两块不带电的完美导电板放置得很近，它们之间会产生一个小的吸引力。这种力被称为卡西米尔效应或卡西米尔力，它是历史上首次记录的零点能量的证明之一。

卡西米尔效应

对卡西米尔效应最常见的解释是，量子涨落导致原本平坦的时空中的能量密度波动，从而导致粒子之间产生吸引力。但是，如果你考虑这些涨落，它们是如此微小，以至于它们只在远小于我们在日常生活中所能看到的尺度上产生力——那么它们在这里是如何被观察到的呢？

这就是马丁·维尔特曼的贡献所在。维尔特曼假设可能存在一种机制，使这些微小的力能够变得足够大，以便在地球上被注意到。事实证明，运动的电荷会产生声波，但正如你可能注意到的那样，即使是很小的运动也足以发出声音。

因此，我们可以用以下公式计算面积为A、距离为L的两块板之间的吸引力：

$$\mathrm{F\:=\:A\frac{\pi hc}{480 \:L^4}}$$

其中：

• h - 普朗克常数
• c - 光速
• F - 吸引力

卡西米尔效应的历史

卡西米尔效应（又称卡西米尔力）由波兰物理学家卢德维克·科斯特罗提出。它最初是通过计算得出的，这些计算是为了确定在量子力学条件下，两个紧密间隔的导电板将如何作用。这种现象导致力将平板拉在一起并保持这种状态，即使它们之间的空间被抽空了所有物质和能量。

这是一种范德华力，存在于任何两个中性原子或分子之间，只要它们彼此足够靠近，以至于它们的真空能级重叠。在经典物理学中，不存在负能量，但在量子力学中，负能量态是可能的，并且可以在卡西米尔效应等现象中发挥重要作用。

这看起来像是魔法或科幻小说中的东西，但它实际上是一个经过充分研究的现象，对它发生的原因和运作方式有详细的解释。

卡西米尔效应的应用

无论我们听到多少关于新的令人兴奋的科学发现的消息，我们都忍不住会有点怀疑。科学家已经开发出基于卡西米尔效应的原型设备，例如量子气体显微镜。他们还发现，可以使用这些相同的力来构建自组装的、微芯片大小的机器人。但有时，即使是日常的发现也具有令人着迷的意义。

在两个不带电的金属板周围发现一个排斥区，为量子物理学开辟了全新的世界；也许如果你花一些时间利用这些原理进行你下一个高科技产品的购买，你将领先于其他人！

测量卡西米尔效应

有很多方法可以测量两个中性原子需要多远才能在它们之间出现可测量的力。

一种方法是使用原子干涉仪——将两个相同的原子放在一起，但不接触。该系统创造了所谓的量子行为驻波，其中两个粒子同时存在于两种状态——并且它们之间的距离也在变化。

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通过观察量子态是如何变化的，科学家可以测量作用在每个粒子上的力。其他方法包括将原子一个叠一个地放置或彼此相邻放置，而不是直接接触它们。

卡西米尔效应描述了由于它们之间电磁场的量子效应而导致的两个平行的无电荷导电板之间的吸引力。

常见问题

Q1. 卡西米尔效应会产生负能量吗？

A1：这个问题的简短答案是否定的。更具体地说，负能量并不存在。负能量是量子物理学中的一个概念，其中粒子从一点移动到另一点，但在这两点之间存在电势差，这需要能量来产生或使该粒子移动。

Q2. 卡西米尔效应是否违反了能量守恒定律？

A2：能量守恒的问题并没有完全解决，但科学家认为他们几乎证明了E = mc²在根本层面上是正确的。这并不意味着不存在棘手、奇怪的情况，在这些情况下它似乎是错误的。在某些情况下，事情可以平衡——例如，当量子涨落导致粒子从一个地方出现和消失，然后只在另一个地方重新出现时，暂时平衡了由它们的产生引起的任何明显的能量减少。

Q3. 卡西米尔效应有多强？

A3：尽管它的存在是在1948年预测的，但直到2012年，科学家们才能够通过实验验证所谓的卡西米尔力。近年来，科学家们已经开始利用它来悬浮微小的物体。

Q4. 动态卡西米尔效应是什么？

A4：动态卡西米尔效应描述了当真空中两个物体被推到一起时会发生什么。荷兰物理学家亨德里克·B·G·卡西米尔提出它来解释为什么晶格中原子之间几乎没有空隙，即使99.9%的空间实际上是空的。

Q5. 卡西米尔效应中的耦合基态能量是什么？

A5：量子力学对这种安排没有问题。在量子力学中，空的空间并非真正空无一物。它充满了成对的虚粒子不断出现和消失以及其他量子现象（参见超距作用）。如果两块金属板平行于彼此在一定距离内，它们会相互吸引，就好像它们被一根难以察觉的细杆连接在一起一样——即使它们之间隔着很大的间隙。

Q6. 卡西米尔效应的原因是什么？

A6：电磁场的量子涨落是卡西米尔效应的主要原因。