卡西米爾效應

大多數人認為，真空是空蕩蕩的。但是，根據量子電動力學（一門在非常小的規模上描述宇宙行為的理論），沒有比這種觀點更加荒謬的了。實際上，真空中到處充滿著稱作“零點能”的電磁能，這正是麥克萊希望加以利用的能量。“零點能”中的“零”指的是，如果把宇宙溫度降至絕對零度（宇宙可能的最低能態），部分能量就可能保留下來。實際上，這種能量是相當多的。物理學家對究竟有多少能量仍存在分歧，但麥克萊已經計算出，大小相當於一個質子的真空區所含的能量可能與整個宇宙中所有物質所含的能量一樣多。

平行板電容器在輻射場真空態中存在吸引力的現象稱為卡西米爾效應。考慮一個輻射的電磁場，根據波粒二象性，輻射場可以看作是光子氣，而光子氣可看作是電磁輻射場的簡諧振動。電磁場量子化后，可把輻射場哈密頓寫成二次量子化的形式：

可見對每個振動模式k，都有零點能（真空能）存在，這個結果是引入場量子化后的自然結果。由於真空能量的存在可以帶來實驗可觀測的物理效應——卡什米爾效應。考慮一對距離為a的平行板電容器放在輻射場中，邊界條件為：。可見隨平行板距離的增大，所允許的振動模式越多，因此平行板電容器之間由於真空能量的存在而存在一種吸引力——卡什米爾力。反之如果認為不存在真空能，則沒有這種力。在具體的計算過程中，由於U(a)的積分（求和）是發散的。為得到收斂的結果，數學上人為地引入一個切斷因子。

一個瑞典物理學家小組成功地實現了真正意義上的“無中生有”——首次從真空中創造出閃光。

該小組讓一個特殊組件在磁場中以1/20倍光速移動，並通過改變磁場的方嚮導致該組件出現“震動”。這樣做的結果是從真空中產生了一束粒子流——這完全符合理論預計。這一不尋常的發現被認為是物理學的一項重大進展，並引起了全世界物理學界的關注。

這一現象基於一個詭異的理論：量子力學。這一理論提出：真空並不存在，所謂的真空中其實充斥著粒子，只是這些粒子太微小，並且不斷的產生和消失，因此難以探測。

但如果使用一塊金屬板就可能吸收這種“虛粒子”並以“實粒子”的形式輻射出來，但前提條件是這塊金屬板必須要以光速移動。

來自瑞典查爾姆斯理工大學的科學家小組是這樣做的：他們採用了一個超導量子干涉器件(SQUID)，這種器件對磁場非常敏感。

《自然》雜誌網路版報道說，這一器件被用來充當這個金屬板，並使它以5%倍光速震動，以便從真空中震出來微波光子。

實驗顯示真空中“憑空出現”的光子頻率約為超導量子干涉器件震動頻率的一半，這完全符合量子力學原理的理論預計。

這一實驗證實了物理學中著名的“卡西米爾效應”(Casimir effect)，這是以荷蘭物理學家亨德里克·卡西米爾(Hendrik Casimir)的名字命名的，他在上世紀40年代就提出了這一理論。

他指出，如果兩塊金屬片之間產生力的作用，這會導致光子的產生。而此次瑞典小組使用的方法正是藉助了這樣一塊金屬片，即超導量子干涉器件。

該小組還尚未公開發表他們的發現，也尚未進行同行評議，因此他們拒絕對實驗的細節發表進一步的評論。

但一位美國哈佛大學的實驗物理學家費德里科·卡帕索(Federico Capasso)表示，這項實驗是“一項重大進展”。卡帕索本身也是從事這方面實驗研究的專家。

而約翰·潘德里(John Pendry)，一位英國倫敦帝國學院的理論物理學家則認為這是一個“里程碑”。

但儘管有了這樣的突破，這項實驗所涉及的技術並不能被很快進行實際的應用，因為其中所涉及的能量實在太小了。

在1948年，荷蘭物理學家亨德里克·卡西米爾(Hendrik Casimir, 1909-2000)提出一項檢測這種能量存在的方案。從理論上解釋，真空能量以粒子形態出現，並不斷以微小的規模形成與消失。在正常情況中。真空中充滿著幾乎各種波長粒子，但卡西米爾指出，假如使兩個不帶電的金屬薄盤緊緊靠在一起，較長的波長就被排除出去。接著，金屬盤外的其他波就會產生一種往往使其相互聚攏的力，金屬盤越靠近，兩者之間吸引力就越強，這種現象就是所謂的卡西米爾效應。1996年，物理學家首次對它進行測定，實際測量結果和理論計算結果十分吻合。

兩隻輪船在風平浪靜的大海中，並列平行距離很近航行，也會發生相撞。歷史就曾發生過這類事故。通常來說，造成輪船相撞的因素非常複雜。就曾經發生過的這類軌事故分析來看，明確原因除去不可抗拒的天氣和海潮等自然原因，以及機械原因、人為原因等人工自然原因之外，還有主要為卡西米爾效應引起的不明原因發生的相撞。不明原因脫軌發生的頻率呈上升趨勢。通常認為，造成不明原因脫軌的主要原因，是列車高速行駛的過程中引發橫向震動喪失穩定，使運行當中的列車脫軌的可能性增大。而列車的脫軌事故多發於車頭之後2/3以及車尾的位置、轉彎位置或發生在拐彎處；引發橫向震動喪失穩定的動力，除去高速行駛以及機械原因、人為原因等人工自然原因之外，還有不可抗拒的由於南北方向運行引發的科氏力，以及天氣風力和地震等自然原因。但在這些之外，還沒有任何人考察火車相撞中的卡西米爾現象引起的原因。由於火車相撞發生在瞬間，而且在事後，調查事故有難度。加之對卡西米爾效應引起的橫向力理論大多數人不了解，從鐵路設計到列車運行管理早存在缺陷，對火車相撞中的卡西米爾現象也許不以為然。

卡西米爾效應就是在真空中兩片平行的平坦金屬板之間的吸引壓力。這一理論的特別之處是，“卡西米爾力”通常情況下只會導致物體間的“相互吸引”，而並非“相互排斥“。我們不是鐵道專家和列車脫軌研究專家，對兩列火車在北半球，南北方向並列平行距離很近超高速運行，會不會發生相撞沒有發言權。想到火車相撞中的卡西米爾現象，是由於研究“三旋/弦/圈理論”聯想到的。中國科技城綿陽早在上世紀六十年代初就開始了類似三旋/弦/圈（SXQ）理論的創新，堅持量子時空除了有類似球量子外，還有環量子，以及虛數存在於點內空間的研究達近五十年沒有中斷，而被有人看作類似“綿陽前沿科學會客廳”。三旋/弦/圈這三個層次，僅是龐加萊猜的層展和呈展，也僅是在計算、應用、理解上的一種方便。如此，分別取“三旋”、“弦論”、“圈量子”的中文拼音第一個字母的大寫S、X、Q，簡稱為SXQ理論，它包含了既有環量子三旋理論，又有超弦/M理論，還有圈量子引力理論等所曾主要表達的數學和物理內容。由於有人認為三旋/弦/圈（SXQ）理論難以實驗檢驗，我們研究卡西米爾現象發現，環量子類似一個方板，球量子類似一個方塊，從三維來說，方板有一維是對稱破缺的。但正是這種破缺，使環量子和球量子的自旋如果存在輻射，那麼在卡西米爾效應上是可以實驗檢驗。這種類比模型不僅能擴展引力場方程及量子力學方程求解的思路，豐富正、負時空聯絡的幾何圖象，而且聯繫卡西米爾效應中兩塊板之間零點能的量子漲落差異，還可能揭示宇宙物質的起源以及強力、弱力和電磁力等相互作用的秘密。

因為如果把引力聯結的兩個星體比作卡西米爾效應中的兩塊板，再把引力場彎曲產生的凹陷圖象分別粘貼在兩塊板相對的一面，引力就類似蛀洞的一個洞口與另一個蛀洞的洞口相對這片區域的卡西米爾效應量子漲落產生的拉力強度。原因是，雖然這種拉力強度遠小於星體物質自身的能量密度，但它們已表現出這片區域內的時空彎曲，相對要大於平板外側的時空彎曲，並是這種彎曲產生的拉力。因為按海森伯不確性原理，所謂真空實際上充滿著許多瞬時冒出又瞬時消逝的基本粒子，這些基本粒子中的一部分將通過時空彎曲的凹面進行傳播，結果這裡的時空彎曲變成一種引力的耦合輻射。這裡負能量與反物質的區別是，反物質擁有正的能量，例如當電子和它的反粒子正電子碰撞時，它們就湮滅，其最終產物是攜帶正能量的伽瑪射線。如果反物質是由負能量構成的，那麼這樣一種相互作用將會產生其值為零的最終能量。但不管是哪種情況，最終這裡的引力場時空彎曲輻射差異產生了拉力強度。由此時空彎曲不僅造成類似纖維叢的底流形與纖維的差別，而且也是產生引力和強力、弱力及電磁力等相互作用區別的根本因素。因此求解引力，主要還是應該從愛因斯坦廣義相對論的引力方程入手。

來自國家技術和標準局（NIST）與科羅拉多大學（University of Colorado）聯合實驗室JILA，由諾貝爾獎獲得者Eric Cornell領導的小組第一次證實了物理學家Evgeny Lifschitz於1955年預言的溫度可以影響卡西米爾力（Casimir Force）——這是一種當兩個物體之間距離只有五百萬分之一米（大概是一英尺的五千分之一）時才會體現出來的相互吸引力。這項發現增加了人們對卡西米爾力的理解，並且使得未來的實驗可以更好地處理這種效應。

雖然卡西米爾效應非常微弱，但是對於納米以及毫米尺度的電力系統（NEMS:Nano-Electromechanical System&MEMS:Micro-Electromechanical System）而言是非常重要的，卡西米爾力可以將各部件粘合在一起。它使得實驗桌上的小型實驗（Tabletop Experimental）無法探測到除了牛頓引力和粒子物理標準模型預言的相互作用力之外的其它可能存在的微弱相互作用。在這個小組的實驗中，研究者們考察了所謂的Casimir-polder力：在中性原子（Neutral Atom）和附近物體表面之間的相互吸引力。他們將超冷銣原子（Ultracold Rubidium Atom）放置在離玻璃表面只有幾微米（Micron）的地方。在將玻璃的溫度升高到原來的兩倍、也就是600開爾文的同時保持環境溫度在室溫左右，這使得玻璃對於原子的吸引力增加了三倍左右，這個結果證實了由來自義大利特蘭托（Trento）的理論合作者最近提出的理論預言。

這些現象到底是怎麼回事呢？卡西米爾力是真空效應的體現。按照量子力學理論，真空中每時每刻到處都充滿了稍瞬即逝的電磁波，這些電磁波是由電場和磁場組成的。電場會對原子中的電荷產生擾動，使之重新分佈，也就是說會使得原子極化。這種極化的原子會受到來自電場的作用力。由於玻璃的存在，真空中的電場分佈會被改變，產生電場最大的區域，這就會吸引極化的原子。另外，在玻璃內部的熱同樣會產生逃離（fleeting）的電磁波，其中有一部分會滲出玻璃的表面而成為“消逝波”（evanescent Wave）。這些消逝波中的電場分量在玻璃的表面達到極大，從而增加對極化原子的吸引力。除玻璃之外的周遭環境中由於熱產生的電磁波通常會抵消玻璃表面由於內部熱量導致的吸引力。但是提高玻璃的溫度可以使得玻璃內部熱量產生的吸引力居於主導地位，從而增加玻璃和原子之間的吸引力。

根據量子場論，任何振動物體都會被真空中的虛粒子減速。5月26日的《Physical Review Letters》雜誌上，物理學家們提出一種方案，通過一端振動的反射腔探測這種效應，光子在反射腔中反彈，並且被超冷原子放大。這個實驗是從技術上說可行的、能夠直接觀察到虛粒子對運動物體作用的方法。量子場論認為，真空中充滿了虛光子，這種光子以恆定的速度不斷產生和湮滅。虛光子的一種可觀測效應是兩個間隔納米距離的物體之間的卡西米爾效應。當一個物體快速振動時，會產生這種很弱的動力學卡西米爾效應：在一個理想界面上沒有平行電場和垂直磁場，而在它周圍則充滿了虛光子產生的電磁場。當這個界面前後運動時，電磁場發生規律性變化，也就是產生了光子。界面的振動能釋放出來，振動受到阻力。

美國達特茅斯學院和義大利帕多瓦大學的Roberto Onofrio說，這個效應產生的光子數量非常少，所以唯一能夠探測到光子的方法是使用共振腔，把光子聚集到一起放大。Onofrio和同事們通過振動共振腔一端地膜把光子束縛在腔內，就像是鼓一樣。研究人員們首先需要找到一種機械設備來放大光子。他們能夠找到的氮化鋁薄膜能夠使光子頻率最大放大到3吉赫茲。因為振動過程中產生的都是能量相同的光子對，所以每個光子的頻率為1.5吉赫茲，處於微波波段。雖然光子的數量少、能量低，很難被觀察到，但是研究人員們通過原子的超冷態（玻色-愛因斯坦凝聚態）可以放大光子能量。1.5吉赫茲的能量正好是鈉原子中兩條能級間的能量差。為了放大卡西米爾光子的能量，鈉的玻色-愛因斯坦態首先被激光激發到較高能級，然後利用卡西米爾光子轟擊它，玻色-愛因斯坦態整體退激發到較低能級，放出大量光子。這個效應稱為超輻射，在其它過程中也觀察到過，它可以把卡西米爾光子信號放大十億倍。Old Dominion大學的Charles Sukenik說：“如果這個實驗成功的話，它將證明量子力學真空不僅僅只是一個為了理論方便而構造的概念。”

卡西米爾效應最吸引人的地方就是真空不空，能量與物質可以相互轉化。經典的卡西米爾效應試驗是將兩片金屬箔放置在很近的位置，當金屬箔之間的距離小於真空中的虛粒子的波長時，長波排除，金屬箔外的其他波就會使靠攏。兩者距離越近，吸引力越大。這已經在1996年為試驗所證實。即將出版的Physical Review Letters上講，Ho Bun Chan（University of Florida）將卡西米爾效應應用到了計算機晶元的設計上。早在2001年，HoBun Chan就設計了一個納米槓桿，將一張極薄的金箔靠近一個極小的金球，當兩者距離<300納米的時候，兩者就會吸引。作用力的大小與距離相關，這樣就可以利用另一端做微觀世界的測力計。

Ho Bun Chan也證明如果將金箔換為矽片，同樣的效應也會發生。因此對計算機晶元的設計也具有指導意義。因為晶元廠會發現當矽片上的元件小到一定尺度，他們就會沾到一起。然而更有意思的是，卡西米爾效應還有可能成為排斥力。根據Lifshitz（也就是Landau的理論物理學講義的合作者）如果將金屬箔和真空換為適當的物質和液體，吸引力就可以變為排斥力。哈佛大學的Capasso博士正帶領他的小組在向這個方向努力。因為如果這種天然的排斥力可以形成，我們就可以製造沒有摩擦力的微觀軸承了。

來自真空的力量

卡西米爾效應：來自真空的力量

影像提供及版權：Umar Mohideen (U. California at Riverside)

說明：這顆小圓球提供了宇宙將一直膨脹下去的證據。這顆直徑稍比百分之一公分大的球，會在真空能量起伏的感應下，移向表面平坦的平滑區域。這種吸引力被稱為卡西米爾效應，它的發現者在五十年前提出這種效應，目的在了解為什麼像蛋黃醬一樣的液體，流動的速度為何會如此的慢。不過已經有相當多的證據顯示，宇宙中大部份能量密度的形態仍然未知，暫時被稱為是暗能量。雖然對暗能量的形態和起源幾乎完全未知，不過科學家認為它可能和空間本身所產生的真空起伏有關，或者說與卡西米爾效應有關聯。這種巨大但神秘的暗能量，在重力上會排斥所有的物質，因此可能會造成宇宙不停地膨脹的結果。了解真空起伏，是現在科學研究的最前沿課題，它不但有助於我們更了解我們的宇宙，也可以幫助我們找出防止微機械零件粘著在一起的方法。

卡西米爾效應計算

卡西米爾所做的研究是針對二次量子化的電磁場。若其中存在一些大塊的物體，可為金屬或介電材料，做成一如經典電磁場所須遵從的邊界條件，這些相應的邊界條件便影響了真空能量的計算。

舉例來說，考慮金屬腔室中電磁場真空期望值的計算；這樣的金屬腔實例如雷達波腔或微波波導。這樣的例子中，正確找出場的零點能量的方法是將腔中駐波能量加總起來。每一個可能的駐波對應了一種能量值；例如，第n個駐波的能量值是En。腔室中電磁場的真空期望值則為：

此和是對所有可能駐波的n加總起來的的。1/2的因子反映出被加總的是零點能量(此1/2與方程的1/2相同)。以這樣方式寫出，很明顯地和會發散；然而也是可以將它寫成有限值的表示。

特別來說，可能會有人問為何零點能量會和腔室形狀s相依？原因是：每個能階都和形狀相依，因此應該將能階以及真空期望值寫成形狀s的函數。再此可以得到一項觀察：在腔室壁上每個點p的力等同於壁形狀s出現微擾時的真空能量變動，這樣的形狀微擾可寫為δs，是位置點p的函數。因此得到：

此值在許多實際場合是有限的。

卡西米爾效應在理解上，可以看為金屬導體或介電材料的存在改變了真空二次量子化后電磁場能量的期望值。這個值與導體和介電材料的形狀及位置相關，因此卡西米爾效應表現就成了與這些屬性相關的力。

卡西米爾效應是量子場論的自然結果；量子場論陳述了所有各式各樣的基本場—例如電磁場—必須在空間中每個點且處處被量子單純純的觀點來說，物理場可以想作是充滿空間的振動球，之間以彈簧相連接。場上上的強度可以看作是球偏離其平衡位置的位移。場的振動可以傳播，並由對應於此場合場合合場的適當波方程所主導。量子場論的二次量子化程序要求球與彈簧的組合是呈現量子化的，也就是說場強度在空間中每一點被量子化。正則式地（Canonically）來說，空間中每點的場是個諧振子，量子化則成了每點有個量子諧振子。場的激發則對應到粒子物理學中的基本粒子。然而，這樣的圖像會顯示出：即使是真空也有極其複雜的結構。所有量子場論必須必須必須須都須與這樣的真空模型有所關聯。

真空因此暗地裡具有了一顆粒子所擁有的全部性質：自旋，或光的極化，以及能量等等。若作平均，這些性質會彼此相銷而得到零值——真空的“空”是以這樣的概念維持著。其中一個重要的例或者或者或者或者者能量或能量的真空期望值。簡諧振子的量子化過程指出存在有一個最低的能量值，稱作零點能量。