QED真空電場(chǎng)的研究

1、QED真空電場(chǎng)的研究摘 要本文主要介紹了電磁場(chǎng)真空態(tài)的能量和卡西米爾效應(yīng)。量子場(chǎng)理論中認(rèn)為量子電磁場(chǎng)的真空態(tài)存在著零點(diǎn)振動(dòng)和零點(diǎn)能，量子電磁場(chǎng)存在“真空漲落”。由于真空能量本身不可觀測(cè)，但它的變化卻可以觀測(cè)?？ㄎ髅谞栃?yīng)是關(guān)于電磁場(chǎng)真空態(tài)能量的可觀測(cè)效應(yīng)。其作為一種QED真空效應(yīng)，本文將主要研究在兩理想導(dǎo)體板間的卡西米爾效應(yīng)及其相關(guān)的影響因素?？ㄎ髅谞栃?yīng)的特別之處是，在真空中兩個(gè)中性導(dǎo)體板間會(huì)產(chǎn)生吸引作用。QED真空效應(yīng)是一個(gè)多學(xué)科交叉的、充滿挑戰(zhàn)和活力的前沿研究領(lǐng)域，在納米技術(shù)和微電子機(jī)械領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：零點(diǎn)能；真空漲落；卡西米爾效應(yīng)QED VACUUM ELECTEIC F

2、IELD OF RESEARCHABSTRACTThis paper mainly introduces the electromagnetic vacuum energy and Casimir effect. Quantum field theory believes that it exist zero point vibrations and zero point energy. Also vacuum electromagnetic fields have vacuum fluctuation. The vacuum energy itself can not be observed

3、, but its changes can be observed. Casimir effect is an observable effect on electromagnetic field vacuum state energy. Because it is one of QED vacuum effect, this paper will mainly studies Casimir effect between two ideal conducting plates, as well as other related factors. Particular, this effect

4、 between two ideal conducting plates will lead to attractive force in vacuum. QED vacuum effect is an interdisciplinary, full of challenge and vigor of the frontier research field, which have important application in nanotechnology and MEMS technology domain.Key words: zero point energy; vacuum fluc

5、tuation; Casimir effect目 錄1前言-12電磁場(chǎng)的真空態(tài)及能量-23卡西米爾效應(yīng)-63.1平行導(dǎo)體板間卡西米爾力的計(jì)算- 63.2其它邊界的幾何形狀的卡西米爾效應(yīng)- 93.3溫度的校正-103.4范德瓦斯力與卡西米爾力的關(guān)系-10 3.5 實(shí)驗(yàn)的測(cè)量-11 3.6應(yīng)用-124在ELI中的QED效應(yīng)-145結(jié)論-16參考文獻(xiàn)-17致謝-181 前 言量子電動(dòng)力學(xué)是量子場(chǎng)論發(fā)展中歷史最長(zhǎng)和最成熟的分支，簡(jiǎn)寫為QED。它主要研究電磁場(chǎng)與帶電粒子相互作用的基本過程。它研究電磁相互作用的量子性質(zhì)(即光子的發(fā)射和吸收)、帶電粒子（例如正負(fù)電子）的產(chǎn)生和湮沒以及帶電粒子之間的散射、帶電

6、粒子與光子之間的散射等。從應(yīng)用范圍的廣泛、基本假設(shè)的簡(jiǎn)單明確、與實(shí)驗(yàn)符合程度的高度精確等方面看，在現(xiàn)代物理學(xué)中是很突出的?？ㄎ髅谞栃?yīng)本質(zhì)上就是一種QED真空效應(yīng)。真空中兩個(gè)中性導(dǎo)體板之間的神秘吸引力最初是由荷蘭的卡西米爾（H. B. G. Casimir）于1948年提出的，這個(gè)效應(yīng)不能在經(jīng)典物理的范疇內(nèi)得到解釋。這是一個(gè)純粹的量子效應(yīng)，涉及到圍繞在導(dǎo)電體表面的電磁場(chǎng)所具有的零點(diǎn)振動(dòng)。這些漲落在導(dǎo)電體表面上產(chǎn)生輻射壓，并且在兩表面之間的輻射壓要比其它地方的要小，從而導(dǎo)致兩表面之間產(chǎn)生吸引力。它在物理學(xué)的各個(gè)分支,特別是在納米技術(shù)中和在微電子機(jī)械系統(tǒng)中有著重要應(yīng)用。卡西米爾效應(yīng)是一個(gè)多學(xué)科交叉

7、的、充滿挑戰(zhàn)和活力的前沿研究領(lǐng)域。本文將在量子場(chǎng)論的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究卡西米爾效應(yīng)。主要是計(jì)算在兩個(gè)理想導(dǎo)體板間的卡西米爾力，并考慮其他影響卡西米爾效應(yīng)的因素及其目前主要的應(yīng)用。2電磁場(chǎng)的真空態(tài)及能量在量子理論中,電磁場(chǎng)中有個(gè)重要的性質(zhì)，即電磁場(chǎng)的真空態(tài)具有無窮大能量。在一般情況下，這個(gè)無窮大能量無法直接觀測(cè)，但在某些特殊情況下它能表現(xiàn)出可觀測(cè)的效應(yīng)。一方面，由普蘭克對(duì)黑體腔內(nèi)電磁場(chǎng)的處理以及其他許多關(guān)于電磁場(chǎng)分析的例子可以知道，電磁場(chǎng)可以看作是一系列具有各種頻率的簡(jiǎn)諧振動(dòng)的集合。電磁場(chǎng)局域形狀不同會(huì)導(dǎo)致這些振動(dòng)模的頻率分布不同。一般情況，這些振動(dòng)模的數(shù)目無窮多，也即電磁場(chǎng)（即便是局域的電磁場(chǎng)

8、）自由度為無窮多。另一方面，從量子力學(xué)的觀點(diǎn)來看,腔內(nèi)電磁場(chǎng)便是一系列具有各種頻率的量子諧振子的集合，這個(gè)集合便是量子電磁場(chǎng)。具有各種頻率和量子數(shù)n的量子態(tài)也就是量子電磁場(chǎng)在該頻率下的各種激發(fā)態(tài)，而便是相應(yīng)的場(chǎng)量子。這個(gè)量子電磁場(chǎng)的基態(tài)，也即沒有任何場(chǎng)量子的態(tài)（其實(shí)是構(gòu)成場(chǎng)的全體量子諧振子的基態(tài)的直積），稱之為量子電磁場(chǎng)的真空態(tài)，這便是從量子邏輯觀點(diǎn)所理解的經(jīng)典物理學(xué)的真空。這個(gè)真空態(tài)顯然不是一無所有的“虛無”，它只是指明不存在各種場(chǎng)量子而已。就像是一段緊繃未經(jīng)激勵(lì)的琴弦，在其上雖無任何振動(dòng)模存在，但并非是一無所有的“虛無”，它只是一個(gè)物理系統(tǒng)的最低能量狀態(tài)。量子理論認(rèn)為，真空中蘊(yùn)藏著巨大的能

9、量，它在絕對(duì)零度條件下仍然存在，稱之為真空零點(diǎn)能。零點(diǎn)能的設(shè)想來自量子力學(xué)的海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理，該原理指出：不可能同時(shí)以較高的精確度得知一個(gè)粒子的位置和動(dòng)量。因此，當(dāng)溫度降到絕對(duì)零度時(shí)粒子必定仍然在振動(dòng)；否則，如果粒子完全停下來，那它的動(dòng)量和位置就可以同時(shí)精確的測(cè)知，而這是違反測(cè)不準(zhǔn)原理的。這種粒子在絕對(duì)零度時(shí)的振動(dòng)（零點(diǎn)振動(dòng)）所具有的能量就是零點(diǎn)能。狄拉克從量子場(chǎng)論對(duì)真空態(tài)進(jìn)行了生動(dòng)的描述，把真空比喻為起伏不定的能量之海。由于量子諧振子的基態(tài)存在零點(diǎn)振動(dòng)和相應(yīng)的零點(diǎn)能,，因此量子電磁場(chǎng)的真空態(tài)也存在著零點(diǎn)振動(dòng)和零點(diǎn)能。量子電磁場(chǎng)所有模的這種零點(diǎn)振動(dòng)稱為量子電磁場(chǎng)的“真空漲落”。 或者認(rèn)為就算是

10、在真空中，仍然有無窮多個(gè)光子，只是這些光子我們看不見而已，這個(gè)就叫做真空漲落。雖然漲落的平均值為零，但均方值并不為零。于是，經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)中的真空，按量子論的觀點(diǎn)來看，其實(shí)是有能量的，它便是所有量子諧振子零點(diǎn)能之和，量子電磁場(chǎng)真空態(tài)能量。 當(dāng)推導(dǎo)量子電磁場(chǎng)真空態(tài)能量的公式時(shí)，我們要考慮輻射場(chǎng)的情況，首先需要將電磁場(chǎng)分解為傅立葉分量。在這一過程中需要使用庫侖規(guī)范和矢量勢(shì)描述，（如果不使用庫侖規(guī)范則計(jì)算非常復(fù)雜，需要處理由于電磁波橫場(chǎng)特性帶來的大量復(fù)雜性），于是 （2-1）這里的是光的極化矢量，對(duì)于任何一個(gè)傳播方向k,有兩個(gè)。運(yùn)用波動(dòng)方程得出自由場(chǎng)是 于是必然有 代入（2-1）可得，所以， = =由

11、能量密度 =其中對(duì)其全空間積分可得，總能量 = （2-2）是整個(gè)空間的積分。對(duì)每個(gè)頻率定義一對(duì)坐標(biāo)q和動(dòng)量p，代入（2-2）可得，可以看出與的形式非常相識(shí)。其中，時(shí)，由于（2-2）像是諧振子的哈密頓，于是引入一對(duì)上升的下降算符 且 那么不難算出如果 海森堡運(yùn)動(dòng)方程就能給出正確的經(jīng)典方程。所以，量子電磁場(chǎng)真空態(tài)能量.這個(gè)數(shù)無窮大，因?yàn)檎駝?dòng)模（自由度）的數(shù)目為無窮多，而且還有高頻的模存在。雖然如此，由于零點(diǎn)能并不參與場(chǎng)的狀態(tài)變化的任何物理過程。因此，一般情況下可以把它當(dāng)作一個(gè)不動(dòng)的“本底”事先予以減除，即“定義”它為零，從而不必去理會(huì)它。當(dāng)計(jì)算某種量子過程的物理能量時(shí)，我們首先會(huì)得到一個(gè)無窮大的結(jié)

12、果，然后通過減去自由空間中的無窮大真空能量得到有限結(jié)果。但在某種特定情況下，它會(huì)表現(xiàn)出可觀測(cè)的效應(yīng)，因?yàn)樗吘故强陀^存在著的。 3卡西米爾效應(yīng)量子場(chǎng)論認(rèn)為，真空中充滿了虛光子，這種光子以恒定的速度不斷產(chǎn)生和湮滅。虛光子的一種可觀測(cè)效應(yīng)是兩個(gè)間隔納米距離的物體之間的卡西米爾效應(yīng)。當(dāng)一個(gè)物體快速振動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生這種很弱的動(dòng)力學(xué)卡西米爾效應(yīng)：在一個(gè)理想界面上沒有平行電場(chǎng)和垂直磁場(chǎng)，而在它周圍則充滿了虛光子產(chǎn)生的電磁場(chǎng)。當(dāng)這個(gè)界面前后運(yùn)動(dòng)時(shí)，電磁場(chǎng)發(fā)生規(guī)律性變化，也就是產(chǎn)生了光子。界面的振動(dòng)能釋放出來，振動(dòng)受到阻尼?？ㄎ髅谞栃?yīng)是關(guān)于電磁場(chǎng)真空態(tài)能量的可觀測(cè)效應(yīng)。真空能量本身不可觀測(cè)，但它的的變化可以觀

13、測(cè)。簡(jiǎn)單的說，卡西米爾效應(yīng)是真空中兩塊相距微米量級(jí)的中性導(dǎo)體板之間存在一個(gè)吸引力。這個(gè)吸引力無法用以往的經(jīng)典概念來解釋，而要用量子真空的概念才能解釋。因?yàn)樵诮^對(duì)零度的理想情況下，兩板之間不存在任何實(shí)光子，在經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)中兩塊電中性導(dǎo)體板之間沒有作用力。所以只有量子化電磁場(chǎng)的真空態(tài)引起了兩塊導(dǎo)體平板的吸引作用，產(chǎn)生了可以觀測(cè)的宏觀量子效應(yīng)。其吸引力，其中c是光速，a是兩板之間的距離，是普蘭克常數(shù)，這個(gè)力被稱為卡西米爾力。后來經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)量可得 ，a為0.5um的1cm2的導(dǎo)體板，測(cè)得的力約為0.2dyn,與理論的預(yù)測(cè)結(jié)果基本相一致。可見，量子真空態(tài)引起了可觀測(cè)的宏觀效應(yīng)。對(duì)于理想的導(dǎo)體，電場(chǎng)只有垂

14、直于導(dǎo)體板的方向，但對(duì)于實(shí)際中的導(dǎo)體，平板切向方向的電場(chǎng)不嚴(yán)格為零，因此計(jì)算時(shí)要做一些修正，這時(shí)卡西米爾力就會(huì)依賴于電子的電量和其它參數(shù)。3.1 平行導(dǎo)體板間卡西米爾力的計(jì)算現(xiàn)在研究一下兩塊平行放置的理想導(dǎo)體之間的卡西米爾效應(yīng)。當(dāng)加入兩塊平板后，要考慮的是在一定的邊界條件下限制在兩板之間的量子化電磁場(chǎng)的零點(diǎn)能，這也是一個(gè)無窮大的量。在這個(gè)計(jì)算中，需考慮在金屬表面上平行于表面的電場(chǎng)分量為零，這樣選擇了特定的真空振動(dòng)。從平板存在時(shí)的無窮大真空能量減去自由閔可夫斯基空間中量子化電磁場(chǎng)的無窮大真空能量，便得到了依賴于板間距離的有限能量，即卡西米爾能量?？ㄎ髅谞柫κ强ㄎ髅谞柲芰繉?duì)板間距離的負(fù)導(dǎo)數(shù)?？紤]兩

15、塊平行并足夠大的方形理想導(dǎo)體板，兩板間的距離為a板邊長(zhǎng)L。根據(jù)經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)滿足以下邊界條件：其中，t表示切線方向，平行于導(dǎo)體板，n表示法線方向，垂直于表面。即，對(duì)于處于電磁場(chǎng)中的理想導(dǎo)體板，電場(chǎng)的切向分量為零，磁場(chǎng)的法線分量為零。電磁場(chǎng)可以看成是無窮系列頻率的諧振子的疊加，其中J是光子的波失。在自由空間，所有的連續(xù)。但有金屬存在時(shí)，就不是這樣。我們用表示x ,y ,z , 用表示,.我們選擇笛卡爾坐標(biāo)系，并且令z軸垂直于平行板。這樣，當(dāng)電場(chǎng)方向垂直于金屬板而磁場(chǎng)方向平行于金屬板時(shí)，滿足邊界條件，這時(shí)的電磁波沿x或y方向自由傳播。由于L很大，在x y方向幾乎無空間區(qū)域的限制，對(duì)應(yīng)于波

16、數(shù)從-到+近視連續(xù)變化因此。但當(dāng)電磁波沿z軸方向傳播時(shí)，要滿足邊界條件，因此只能取分立值，.由于每種波均存在兩個(gè)橫向極化狀態(tài)，計(jì)算模數(shù)目應(yīng)乘以2(實(shí)際上當(dāng)=0時(shí)，不應(yīng)該乘以2，但這不影響下面的計(jì)算。因?yàn)閷?duì)a的微商消去了=0的所有波 )。對(duì)現(xiàn)在的L2 a情況，一個(gè)振動(dòng)模的零點(diǎn)能為，而在附近d之內(nèi)的模數(shù)目為.于是，放入兩塊平行板的前后，在L2 a體積內(nèi)兩個(gè)理想導(dǎo)體板之間的電磁場(chǎng)的真空能為=其中，自由空間中，兩個(gè)平行板之間（不存在任何邊界條件）內(nèi)電磁場(chǎng)的真空能為所以，真空態(tài)能量的相對(duì)變化=-由此可得兩板之間每單位面積上的作用力為令，于是有，帶入得，大括號(hào)中的兩項(xiàng)都是發(fā)散的，但它們的差可以是不發(fā)散的。

17、為看清這一點(diǎn)，采用Coulomb場(chǎng)積分中常見的計(jì)算技巧：在被積函數(shù)中引入衰減因子(>0),作積分、求和與相減，待完成全部計(jì)算之后，再令，以求得這個(gè)有限的差值。這樣就成為=利用展開式其中為Bernoulli數(shù)：，, , , .代入表達(dá)式，運(yùn)算之后，令取極限，最后只剩下含B4的一項(xiàng)=dyn/cm2這里a的單位是微米。只是一個(gè)十分微弱的吸引力，表明由于兩板之間的允許模數(shù)目隨a增大而增大，導(dǎo)致E（a）隨a增大而增大。3.2 其它邊界的幾何形狀的卡西米爾效應(yīng)影響卡西米爾力的一個(gè)重要因素是邊界的幾何形狀和時(shí)空的拓?fù)?，之前研究的有平行板，還有平行六面體，立方體，和球。其中平行六面體的本征頻率：，當(dāng)我們

18、假設(shè)，可得其能量：，= ，在電磁場(chǎng)中，立方體的總的真空能量 .尤為重要的是，封閉邊界內(nèi)部的卡西米爾力可以是排斥的。這個(gè)問題的研究首先是對(duì)球形邊界進(jìn)行的，結(jié)果表明球形邊界內(nèi)的卡西米爾力確實(shí)是排斥的。接下來再看看球體的卡西米爾力?？紤]半徑為R的球體，在電磁場(chǎng)中的真空能量，同樣要求滿足邊界條件：電場(chǎng)的切線方向分量為零。最初，卡西米爾認(rèn)為球形邊界內(nèi)的真空能量與平行板的的情況相同，會(huì)產(chǎn)生吸引作用，與庫侖斥力相互平衡。然而實(shí)際上由于球體的拉普拉斯本征值的分布并不規(guī)則，所得的結(jié)果，與的立方體的真空能量值非常接近。實(shí)際上球體的能量是正值，這種情況與兩塊平行板的情況截然相反，則意味著球有膨脹的趨勢(shì)。我們可以通過

19、公式，得封閉邊界內(nèi)部的卡西米爾力是排斥力。3.3 溫度的校正溫度的改變也會(huì)影響卡西米爾效應(yīng)。有兩種方式,從而使其溫度會(huì)影響卡西米爾力。一種方式是依賴于和產(chǎn)生直接的影響。當(dāng)在的理想情況下，這種影響將會(huì)消失。另一種方式，在時(shí)，卡西米爾力是由自由能的導(dǎo)數(shù)決定的，這時(shí)的自由能是關(guān)于溫度的函數(shù)。下面考慮一下理想導(dǎo)體平行板在電磁場(chǎng)中有關(guān)溫度的校正。當(dāng)，（）對(duì)于其他邊界的幾何形狀的卡西米爾力，也作出了相關(guān)的溫度的校正，比如球形的邊界等等。3.4 范德瓦斯力與卡西米爾力的關(guān)系卡西米爾力與量子力學(xué)中熟知的范德瓦耳斯力在微觀上可以用統(tǒng)一的方式理解。理論物理學(xué)家指出，范德瓦耳斯力和卡西米爾力都由量子漲落引起。范德瓦

20、耳斯力出現(xiàn)在物體的兩個(gè)中性的原子或分子之間，物體分離的距離應(yīng)比原子尺度大得多，但比卡西米爾效應(yīng)所考慮的距離更小。范德瓦爾斯力也是和真空零點(diǎn)能有關(guān)。漲落的電磁場(chǎng)導(dǎo)致了分子或原子中瞬時(shí)的電偶矩，因此，電偶矩算符的散度不為零。事實(shí)上，漲落的電磁場(chǎng)可以看作是零點(diǎn)振動(dòng)的模型。對(duì)于屬于不同的宏觀物體空間上離得很近的兩個(gè)或多個(gè)原子，一個(gè)原子發(fā)出一個(gè)虛光子，這個(gè)虛光子能夠在它的壽命內(nèi)到達(dá)另一個(gè)原子，這種相干的振動(dòng)引起了原子中瞬時(shí)的電偶矩，導(dǎo)致了范德瓦爾斯力的產(chǎn)生。范德瓦爾斯力是純量子作用，因?yàn)樗蕾囉谄仗m克常數(shù)，但與光速無關(guān)，因此是非延遲的范德瓦爾斯力。我們?cè)賮砜紤]原子間的距離比較大，虛光子不能在它的生命中到

21、達(dá)另一個(gè)原子的情況。在大距離情況下，非延遲的范德瓦斯力不存在了。但是這兩個(gè)原子間存在了吸引作用。這種作用，不僅是量子的，而且還是相對(duì)論的，它依賴于普蘭克常數(shù)和光速。有時(shí)稱它為延遲的范德瓦爾斯力。并且這種相對(duì)論效應(yīng)在原子間距增大時(shí)增強(qiáng)，在原子間距為幾百個(gè)納米時(shí)占重要作用。這種原子間（分子間）的推遲力導(dǎo)致了一個(gè)原子（分子）與一個(gè)宏觀物體或宏觀物體間相似的作用力。從這個(gè)角度分析，物體邊界間的卡西米爾力也被認(rèn)為是延遲的范德瓦爾斯力。3.5 實(shí)驗(yàn)測(cè)量盡管卡西米爾效應(yīng)是相對(duì)論性量子場(chǎng)論宏觀效應(yīng)的首次預(yù)言，在它剛提出時(shí)物理學(xué)家就認(rèn)識(shí)到它的重要性。但面積為1的兩平行金屬板相距1微米時(shí)，它們之間的卡西米爾吸引力

22、僅為10-7牛，測(cè)量如此小的力非常困難。如何測(cè)量卡西米爾力問題向?qū)嶒?yàn)物理學(xué)家提出了挑戰(zhàn)，直到十年后斯帕納伊才完成了對(duì)卡西米爾力的首次測(cè)量。雖然這個(gè)首次實(shí)驗(yàn)有些粗糙，精度很差，但它開創(chuàng)了卡西米爾力測(cè)量的先河。同時(shí),斯帕納依指出了測(cè)量卡西米爾力的必備條件，如兩塊導(dǎo)體板必須嚴(yán)格平行，表面必須純凈無雜質(zhì)，表面不能殘留靜電荷，等等。為了滿足上述這些條件，物理學(xué)家想出了許多辦法改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過多年努力, 幾項(xiàng)重要進(jìn)展使實(shí)驗(yàn)取得了前所未有的精度。1997年，拉莫利奧克斯利用扭擺精確測(cè)量到一塊金屬平板和一塊鍍金球面透鏡之間的卡西米爾力，這是測(cè)量卡西米爾力實(shí)驗(yàn)的一個(gè)里程碑。在零度的理想情況下，由理想金屬制成的平板

23、和球面之間的卡西米爾力近似與球半徑R成正比，與距離的3次冪成反比, 在距離遠(yuǎn)小于球半徑時(shí)，這些規(guī)律精確成立。在距離大約為1微米時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在5%10%的誤差內(nèi)與理論一致。與之前的測(cè)量相比，這是一個(gè)了不起的成就。莫海頓和羅伊完成了更精確的卡西米爾力的測(cè)量。他們使用了原子力顯微鏡（一種以高精度研究表面的微機(jī)械裝置）進(jìn)行了卡西米爾效應(yīng)最可靠的實(shí)驗(yàn)，測(cè)量了球體和平板之間的卡西米爾力。新的實(shí)驗(yàn)完全滿足了斯帕納伊提出的精確測(cè)量的基本條件。在絕對(duì)誤差置信度為95%時(shí)，測(cè)得的力大約為8.5×10-12牛，這導(dǎo)致在62納米的最短距離上相對(duì)誤差僅為1.75%。通過實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家的辛勤勞動(dòng), 理論家的理論計(jì)

24、算終于被完美地確認(rèn)了。3.6 應(yīng)用制造出一個(gè)在分子尺度上的微型機(jī)械, 如馬達(dá)、閥門、感應(yīng)器、或者計(jì)算機(jī)，是科學(xué)家和工程師長(zhǎng)期以來的理想。這些微型機(jī)械可以植入一個(gè)更大的結(jié)構(gòu)，在人眼不能直接看到的地方進(jìn)行工作，也許是在人的心臟內(nèi)部，或是在其他隱蔽處。近年來，人們已經(jīng)制造出一些這樣的機(jī)械，由于微型器件的尺寸縮小到了納米量級(jí)，卡西米爾力在它們?cè)O(shè)計(jì)和構(gòu)造中的作用引起了普遍重視。當(dāng)距離小于幾十納米時(shí)，和其他力相比，卡西米爾力占主導(dǎo)地位。結(jié)果，在納米尺度的器件中，卡西米爾力變成了強(qiáng)吸引作用，本來可移動(dòng)的部件粘結(jié)在一起了。可移動(dòng)元件坍縮到本來不動(dòng)的元件上，這不是設(shè)計(jì)家希望看到的結(jié)果。粘結(jié)和人們熟悉的毛細(xì)作用力

25、一起，對(duì)微納系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)造成了巨大破壞。因此，人們必須開發(fā)具有零或強(qiáng)度大大降低的卡西米爾力系統(tǒng)，目前已從邊界的材料和形狀全方位地對(duì)此開展探索。2009年哈佛大學(xué)的研究小組宣布測(cè)量到了排斥性的卡西米爾力。他們采用了金、溴苯和硅組成的系統(tǒng)，在材料的光學(xué)誤差范圍內(nèi)得到了與理論相一致的結(jié)果。這個(gè)實(shí)驗(yàn)告訴人們，只要適當(dāng)選擇材料的光學(xué)性質(zhì)，由液體所分離的兩固態(tài)界面之間就可能產(chǎn)生排斥性力，從而可以克服微型器件的粘附困難。此外，考慮到在分層結(jié)構(gòu)中或在封閉體積中，卡西米爾力也可以實(shí)現(xiàn)吸引和排斥之間的平衡，即得到具有零卡西米爾力的納米系統(tǒng)。盡管吸引效應(yīng)所產(chǎn)生的粘附是一種有害現(xiàn)象，但它也可以通過起動(dòng)納米構(gòu)造的硅片而在

26、納米系統(tǒng)中起到有益的作用。電磁場(chǎng)的真空震蕩導(dǎo)致了平板的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，給出了第一個(gè)由卡西米爾力驅(qū)動(dòng)的機(jī)械裝置。類似的裝置可用來證明卡西米爾力對(duì)微系統(tǒng)振蕩行為的影響。由于卡西米爾力是非線性的，從而可以用在微納電子機(jī)械系統(tǒng)中。卡西米爾力在納米系統(tǒng)中的另一個(gè)重要應(yīng)用是與原子表面相互作用聯(lián)系在一起的。眾所周知，氫的貯存是替代石油的氫動(dòng)能學(xué)的關(guān)鍵所在。由于這個(gè)原因，任何新的氫貯存機(jī)制都將非常重要。在氫原子或分子和碳納米結(jié)構(gòu)之間作用的卡西米爾力在吸收現(xiàn)象中起決定性作用。碳納米管是一個(gè)包含幾層同心六邊形的石墨柱殼的納米系統(tǒng)，由于單壁碳納米管對(duì)氫貯存的潛在應(yīng)用，原子和碳納米結(jié)構(gòu)之間的卡西米爾力的研究變得非常緊迫。計(jì)

27、算表明，氫原子和分子處于多壁碳納米管內(nèi)部比外部更優(yōu)先。這個(gè)結(jié)果對(duì)在碳納米結(jié)構(gòu)中貯存氫賦予了更大的希望，前景誘人。由于卡西米爾力（一種由于真空零點(diǎn)電磁漲落產(chǎn)生的作用力）的精確測(cè)量，證實(shí)了真空中蘊(yùn)藏著巨大的本底能量，它在絕對(duì)零度條件下仍然存在，稱為零點(diǎn)能。由于零點(diǎn)能十分巨大，加上它的利用過程高效且清潔無污染，它的大規(guī)模利用將解決目前世界所面臨的能源短缺、環(huán)境污染、干旱、溫室效應(yīng)等生態(tài)環(huán)境問題。若能將這種能量轉(zhuǎn)換為可供人類應(yīng)用的動(dòng)力，等于為人類開啟了一座永不枯竭的能源寶藏。4在ELI中的QED效應(yīng)ELI工程是在十分強(qiáng)的電磁場(chǎng)中來提供激光，這將帶領(lǐng)我們進(jìn)入廣闊的還未被探索的非微擾量子電動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域

28、。ELI不僅僅是用于QED ，還是為了在量子場(chǎng)理論中解決一些基本問題，包括一些原子核的，等離子體，天體物理學(xué)中的問題等等。量子真空的漲落意味著QED真空效應(yīng)就像是一種極化介質(zhì)，這種極化介質(zhì)修改了經(jīng)典的物理現(xiàn)象，使其得到了一個(gè)新奇的量子效應(yīng)。許多的QED真空效應(yīng)，例如聲子分裂，非線性康普頓散射，還有卡西米爾效應(yīng)都能夠在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)出來，然而像真空中非微擾的電子-正電子對(duì)生成還沒能被觀測(cè)。最主要的的原因是因?yàn)檫@是一種十分微弱的效應(yīng)。目前我們對(duì)于QDE微擾領(lǐng)域有著很充分的了解。經(jīng)典的例子是電子的反常磁矩g（定義g與磁偶極矩和自旋的關(guān)系為：）,其在實(shí)驗(yàn)和理論中都有很大的發(fā)展和進(jìn)步。 理論方面， 實(shí)驗(yàn)方面

29、，一個(gè)單電子回旋加速器已經(jīng)能夠直接測(cè)量g,不用再測(cè)量（銣Rb原子的反沖實(shí)驗(yàn)）,其實(shí)驗(yàn)結(jié)果與上式很好的相吻合。相比較而言，我們對(duì)于極強(qiáng)外場(chǎng)下出現(xiàn)的QDE非微擾的領(lǐng)域了解的十分匱乏。為定量這種“極強(qiáng)”，我們看看海森伯和歐拉在計(jì)算真空電子對(duì)生成幾率的計(jì)算。真空對(duì)生成可以看成是在外場(chǎng)下虛偶極子對(duì)能夠加速，然后分開，再然后如果它們能夠從外場(chǎng)中得到的結(jié)合能，就形成漸近對(duì)，像下圖所描述的那樣。這時(shí)一個(gè)非微擾的過程，假設(shè)是恒量電場(chǎng)，則海森伯和歐拉計(jì)算的幾率為圖4-1在外加電場(chǎng)的作用下，虛偶極子對(duì)相互分離我們期望觀測(cè)到這樣的非微擾效應(yīng)：奧本海默所計(jì)算的在均勻電場(chǎng)下電離的原子結(jié)合能的幾率為：氫原子的結(jié)合能，我們得

30、到其幾率為其結(jié)果是我們?cè)谠芋w系下所期望觀測(cè)到的這樣的非微擾電離效應(yīng)。因此，我們注意到與相比多了一項(xiàng)因子。這些簡(jiǎn)單的估計(jì)解釋了為什么真空對(duì)生成還不能觀測(cè)到在通常的激光下，真空對(duì)生成是極弱得效應(yīng)，主要因?yàn)槭莻€(gè)非微擾效應(yīng)。在近些年的激光科學(xué)的科技發(fā)展中，海森伯和歐拉在理論上精確的計(jì)算中指出，ELI可能應(yīng)用于這個(gè)難理解的非微擾領(lǐng)域。其前景將有潛力開啟一個(gè)全新的實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，帶給人們新的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用。5 結(jié) 論通過上述論述可得出，真空并不是什么都沒有，實(shí)際上存在著我們所看不見的物質(zhì)，即真空中蘊(yùn)藏著巨大的能量，它在絕對(duì)零度條件下仍然存在真空零點(diǎn)能。其本身不可觀測(cè)，但它的的變化可以觀測(cè)?？ㄎ髅谞栃?yīng)是電磁場(chǎng)真空態(tài)