卡西米爾效應
編輯在量子場論中,卡西米爾效應是由場的量子漲落引起的作用于密閉空間宏觀邊界的物理力。 它以荷蘭物理學家亨德里克卡西米爾的名字命名,他于 1948 年預測了電磁系統的影響。
同年,Casimir 和 Dirk Polder 描述了宏觀界面附近的中性原子經歷的類似效應,稱為 Casimir-Polder 力。 他們的結果是倫敦范德瓦爾斯力的概括,包括由于光速有限而導致的延遲。 由于導致倫敦-范德瓦爾斯力、卡西米爾力和卡西米爾-波爾德力的基本原理可以分別在同一基礎上表述,因此如今命名法的區別主要服務于歷史目的,通常是指不同的物理 設置。
直到 1997 年,S. Lamoreaux 的一項直接實驗才定量測量出卡西米爾力與理論預測值的誤差在 5% 以內。
卡西米爾效應可以理解為宏觀材料界面(如導電金屬和電介質)的存在會改變二次量子化電磁場能量的真空期望值。 由于這種能量的值取決于材料的形狀和位置,因此卡西米爾效應表現為這些物體之間的一種力。
任何支持振蕩的介質都有卡西米爾效應的模擬。 例如,繩子上的珠子以及浸沒在湍流水或氣體中的盤子都說明了卡西米爾力。
在現代理論物理學中,卡西米爾效應在核子的手性包模型中起著重要作用; 在應用物理學中,它在新興微技術和納米技術的某些方面具有重要意義。
物理性質
編輯典型的例子是真空中兩個不帶電的導電板,它們相距幾納米。 在經典描述中,沒有外場意味著板之間沒有場,并且不會在它們之間測量力。 當使用量子電動力學真空研究該場時,可以看出這些板確實會影響構成該場的虛光子,并產生合力——吸引力或排斥力,具體取決于兩個板的具體排列。 雖然卡西米爾效應可以用與物體相互作用的虛擬粒子來表示,但xxx用物體之間的中間空間中量子化場的零點能量來描述和更容易計算。 這種力已經過測量,是通過二次量化正式捕獲的效果的一個顯著例子。
這些計算中邊界條件的處理引起了一些爭議。 事實上,卡西米爾最初的目標是計算導電板可極化分子之間的范德華力。 因此,它可以在不參考量子場的零點能量(真空能量)的情況下進行解釋。
因為力的強度隨著距離的增加而迅速衰減,所以只有當物體之間的距離非常小時才能測量到。 在亞微米尺度上,這種力變得非常強大,以至于它成為不帶電導體之間的主導力。 事實上,在 10 nm 的分離——大約是原子典型尺寸的 100 倍——卡西米爾效應產生相當于大約 1 個大氣壓的壓力(精確值取決于表面幾何形狀和其他因素)。
歷史
編輯1947 年,飛利浦研究實驗室的荷蘭物理學家 Hendrik Casimir 和 Dirk Polder 提出兩個可極化原子之間以及這樣一個原子與導電板之間存在力; 這種特殊形式稱為卡西米爾-波爾德力。 1948年,卡西米爾與尼爾斯·玻爾交談,后者認為這與零點能量有關,卡西米爾獨自提出了預測中性導電板之間力的理論。后一種現象在狹義上稱為卡西米爾效應。
力的預測后來擴展到有限電導率金屬和電介質,最近的計算考慮了更一般的幾何形狀。 1997年以前的實驗對力進行了定性觀察,并通過測量液氦薄膜的厚度間接驗證了預測的卡西米爾能量。 然而,直到 1997 年,S. Lamoreaux 的直接實驗才定量測量出該力與理論預測值的誤差在 5% 以內。 隨后的實驗接近百分之幾的準確度。
可能的原因
編輯真空能
卡西米爾效應的原因由量子場論描述,該理論指出所有各種基本場,例如電磁場,都必須在空間的每個點上被量化。
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