卡西米爾效應

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簡介

1948年，兩位名叫卡西米爾和波爾德的科學家觀察到：如果將兩塊不帶電的完美導電板放置得很近，它們之間會產生一個小的吸引力。這種力被稱為卡西米爾效應或卡西米爾力，它是歷史上首次記錄的零點能量的證明之一。

卡西米爾效應

對卡西米爾效應最常見的解釋是，量子漲落導致原本平坦的時空中的能量密度波動，從而導致粒子之間產生吸引力。但是，如果你考慮這些漲落，它們是如此微小，以至於它們只在遠小於我們在日常生活中所能看到的尺度上產生力——那麼它們在這裡是如何被觀察到的呢？

這就是馬丁·維爾特曼的貢獻所在。維爾特曼假設可能存在一種機制，使這些微小的力能夠變得足夠大，以便在地球上被注意到。事實證明，運動的電荷會產生聲波，但正如你可能注意到的那樣，即使是很小的運動也足以發出聲音。

因此，我們可以用以下公式計算面積為A、距離為L的兩塊板之間的吸引力：

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

其中：

• h - 普朗克常數
• c - 光速
• F - 吸引力

卡西米爾效應的歷史

卡西米爾效應（又稱卡西米爾力）由波蘭物理學家盧德維克·科斯特羅提出。它最初是透過計算得出的，這些計算是為了確定在量子力學條件下，兩個緊密間隔的導電板將如何作用。這種現象導致力將平板拉在一起並保持這種狀態，即使它們之間的空間被抽空了所有物質和能量。

這是一種範德華力，存在於任何兩個中性原子或分子之間，只要它們彼此足夠靠近，以至於它們的真空能級重疊。在經典物理學中，不存在負能量，但在量子力學中，負能量態是可能的，並且可以在卡西米爾效應等現象中發揮重要作用。

這看起來像是魔法或科幻小說中的東西，但它實際上是一個經過充分研究的現象，對它發生的原因和運作方式有詳細的解釋。

卡西米爾效應的應用

無論我們聽到多少關於新的令人興奮的科學發現的訊息，我們都忍不住會有點懷疑。科學家已經開發出基於卡西米爾效應的原型裝置，例如量子氣體顯微鏡。他們還發現，可以使用這些相同的力來構建自組裝的、微晶片大小的機器人。但有時，即使是日常的發現也具有令人著迷的意義。

在兩個不帶電的金屬板周圍發現一個排斥區，為量子物理學開闢了全新的世界；也許如果你花一些時間利用這些原理進行你下一個高科技產品的購買，你將領先於其他人！

測量卡西米爾效應

有很多方法可以測量兩個中性原子需要多遠才能在它們之間出現可測量的力。

一種方法是使用原子干涉儀——將兩個相同的原子放在一起，但不接觸。該系統創造了所謂的量子行為駐波，其中兩個粒子同時存在於兩種狀態——並且它們之間的距離也在變化。

圖片即將推出

透過觀察量子態是如何變化的，科學家可以測量作用在每個粒子上的力。其他方法包括將原子一個疊一個地放置或彼此相鄰放置，而不是直接接觸它們。

卡西米爾效應描述了由於它們之間電磁場的量子效應而導致的兩個平行的無電荷導電板之間的吸引力。

常見問題

Q1. 卡西米爾效應會產生負能量嗎？

A1：這個問題的簡短答案是否定的。更具體地說，負能量並不存在。負能量是量子物理學中的一個概念，其中粒子從一點移動到另一點，但在這兩點之間存在電勢差，這需要能量來產生或使該粒子移動。

Q2. 卡西米爾效應是否違反了能量守恆定律？

A2：能量守恆的問題並沒有完全解決，但科學家認為他們幾乎證明了E = mc²在根本層面上是正確的。這並不意味著不存在棘手、奇怪的情況，在這些情況下它似乎是錯誤的。在某些情況下，事情可以平衡——例如，當量子漲落導致粒子從一個地方出現和消失，然後只在另一個地方重新出現時，暫時平衡了由它們的產生引起的任何明顯的能量減少。

Q3. 卡西米爾效應有多強？

A3：儘管它的存在是在1948年預測的，但直到2012年，科學家們才能夠透過實驗驗證所謂的卡西米爾力。近年來，科學家們已經開始利用它來懸浮微小的物體。

Q4. 動態卡西米爾效應是什麼？

A4：動態卡西米爾效應描述了當真空中兩個物體被推到一起時會發生什麼。荷蘭物理學家亨德里克·B·G·卡西米爾提出它來解釋為什麼晶格中原子之間幾乎沒有空隙，即使99.9%的空間實際上是空的。

Q5. 卡西米爾效應中的耦合基態能量是什麼？

A5：量子力學對這種安排沒有問題。在量子力學中，空的空間並非真正空無一物。它充滿了成對的虛粒子不斷出現和消失以及其他量子現象（參見超距作用）。如果兩塊金屬板平行於彼此在一定距離內，它們會相互吸引，就好像它們被一根難以察覺的細杆連線在一起一樣——即使它們之間隔著很大的間隙。

Q6. 卡西米爾效應的原因是什麼？

A6：電磁場的量子漲落是卡西米爾效應的主要原因。