【原创】Casimir效应(1)：发现的历史 [ witten1 ] 于:2009-08-09 02:10:50 复:2344823
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本篇篇关于Casimir效应的帖子所用的资料主要出处是“Cavity Quantum Electrodynamics” by Sergio M.Dutra, A John Wiley & Sons, Inc.其间混有我的评论。
今天就先写一个开头，就说说Casimir是如何发现这个奇怪的效应——“一无所有”的真空却能在特定的边界条件下产生吸引力。在上个世纪四十年代的时候，Casimir就职于Philips的研发部门，主要做的是关于悬浮胶质的稳定性的问题。这些悬浮胶质可以用于制造阴极射线管的沉淀膜。当时的Philips的研发部分有两个科学家分别叫Overbeek和Verwey的发展出了一套基于van der Waals力的非常详细的关于胶体的稳定性理论用于解释石英粉末的悬浮性质的。很不幸，精确的实验过程表明他们的理论不能完全解释实验事实而必需加以修正。我们知道van der Waals力的根源其实在于分子之间的瞬时的电偶极矩的相互作用，这个可以用量子力学做很好的估算，而最后的计算结果会表明，van der Waals力将随距离的六次方成反比的衰减，可是他们的实验却发现相互作用是随距离的七次方成反比的衰减。当时Overbeek也很敏锐，它觉查到这很有可能是原有基于经典力学模型的局限性造成，而他感觉到，这可能是原有模型里把电磁相互作用设定成是“超距”是有问题的，于是他提出来了这样的修正可能是来自于光速的有限性，当然我们知道这显然不是问题的全部而且是不足以解释七次反比的事实，问题的全部是我们知道光子是量子化的。但是Overbeek的这个可不太恰当的hint却激起我们Casimir同学的好奇心，因为它觉得相互作用随距离的七次反比也很漂亮，虽说可能“7”比常见的“2”要比较罕见得的多，可是他还是觉得这个实验上发现的经验规律是如此的简单，背后肯定藏着一些可以从更深层次的原理出发直接得到的东西。
还好我们Casimir同学还是学了些量子力学，还算是跟上了那个时代刚刚正在蓬勃发展的量子力学，而且做为荷兰人，离Bohr老先生也挺近的，于是就找了一个机会在1947年的秋天和Bohr一同散散步聊聊天，顺带掺杂些他的“私货”，看看老先生有什么看法。老先生听完后当即就说“That's nice, that's something new.”Casimir就继续问道，在大距离下的相互作用的表达式却具有如此简洁的行为又当如何理解？Bohr含糊不清的说道这可能和零点能量有关系。而这些就是那次对话的全部，这个让Casimir走上正确的解决这个问题的道路上。并在最后让Casimir发现了，零点能量的变化最终贡献了那个七次反比的相互作用衰减规律，并于1948年的五月29号在荷兰科学院的一次会议上发表了题为“关于在两个完美导体板之间的吸引力”的演讲，并随后在那一年发表了。
其实Casimir效应并不像Casimir所谦虚认为的“具有一些理论价值”。从理论的观点来看，这是一个从量子理论出发所得到的一个非常漂亮的结果，但是其实这样的效应并不仅仅只是在量子的世界里才存在，在我们普通人的生活中其实也是存在的，这在下一篇witten1:【原创】Casimir效应(2)我试图比较浅显解释Casimir效应的时候会说明到。Casimir效应从提出到现在已过了六十年了，期间实验技术的发展更是突飞猛进，也使得Casimir效应在实际中的应用成为了可能，近几年围绕Casimir效应的文章数量是非常的多，这里面有相当一部分是集中在纳米技术研究领域，因为在这样的尺度上Casimir效应将会有显著的效果，进而影响到量子器件的设计或者纳米材料的应用。另外一方面，Casimir效应也提供了可能的“反引力”方案，因为Casimir效应里的那个吸引力在不同的介质里的大小是不一样的，这就为实现量子悬浮成为了可能，这里的悬浮纯来源于真空涨落！实验室里也确实造出了这样的样品，这是去年的事了。最后，随着我们对宇宙观测的进一步深入，了解到宇宙之中还有很多的东西是我们未认清的，比如暗物质，暗能量究竟是什么，比如真空涨落所贡献出来的这份额外的“引力”究竟演怎样的角色？比如由Casimir效应所推演出来的“真空灾难”的问题，等都是很有意思的话题。关于Casimir效应所产生的“真空灾难”会在Casimir效应的第三篇中作一科普的论述。
据教育部科技发展中心网2006年6月1日报道: 根据量子场论，任何振动物体都会被真空中的虚粒子减速。5月26日的《Physical Review Letters》杂志上，物理学家们提出一种方案，通过一端振动的反射腔探测这种效应，光子在反射腔中反弹，并且被超冷原子放大。这个实验是从技术上说可行的、能够直接观察到虚粒子对运动物体作用的方法。
量子场论认为，真空中充满了虚光子，这种光子以恒定的速度不断产生和湮灭。虚光子的一种可观测效应是两个间隔纳米距离的物体之间的卡西米尔效应。当一个物体快速振动时，会产生这种很弱的动力学卡西米尔效应：在一个理想界面上没有平行电场和垂直磁场，而在它周围则充满了虚光子产生的电磁场。当这个界面前后运动时，电磁场发生规律性变化，也就是产生了光子。界面的振动能释放出来，振动受到阻尼。
美国达特茅斯学院和意大利帕多瓦大学的Roberto Onofrio说，这个效应产生的光子数量非常少，所以唯一能够探测到光子的方法是使用共振腔，把光子聚集到一起放大。Onofrio和同事们通过振动共振腔一端的膜把光子束缚在腔内，就像是鼓一样。研究人员们首先需要找到一种机械设备来放大光子。他们能够找到的氮化铝薄膜能够使光子频率最大放大到3吉赫兹。因为振动过程中产生的都是能量相同的光子对，所以每个光子的频率为1.5吉赫兹，处于微波波段。
虽然光子的数量少、能量低，很难被观察到，但是研究人员们通过原子的超冷态（玻色-爱因斯坦凝聚态）可以放大光子能量。1.5吉赫兹的能量正好是钠原子中两条能级间的能量差。为了放大卡西米尔光子的能量，钠的玻色-爱因斯坦态首先被激光激发到较高能级，然后利用卡西米尔光子轰击它，玻色-爱因斯坦态整体退激发到较低能级，放出大量光子。这个效应称为超辐射，在其它过程中也观察到过，它可以把卡西米尔光子信号放大十亿倍。
Old Dominion大学的Charles Sukenik说：“如果这个实验成功的话，它将证明量子力学真空不仅仅只是一个为了理论方便而构造的概念。”
