卡西米爾效應（英語：Casimir effect）是由荷蘭物理學家亨德里克·卡西米爾（Hendrik Casimir）於1948年提出的一種現象，此效應隨後被偵測到，並以卡西米爾為名以紀念他。其根據量子場論的“真空不空”觀念——即使沒有物質存在的真空仍有能量漲落，而提出此效應：真空中兩片中性（不帶電）的金屬板會出現吸力；這在經典理論中是不會出現的現象。這種效應只有在兩物體的距離非常之小時才可以被檢測到。例如，在亞微米尺度上，該效應導致的吸引力成為中性導體之間主要作用力。事實上在10納米間隙上（大概是一個原子尺度的100倍），卡西米爾效應能產生1個大氣壓的壓力（101.3千帕）。一對中性原子之間的范德瓦耳斯力是一種類似的效應。
基本介紹
- 中文名：卡西米爾效應
- 外文名：Casimir effect
- 提出者：亨德里克·卡西米爾
- 提出時間：1948年
- 套用學科：物理學
- 適用領域範圍：量子電動力學
概論,真空能量,計算,原理,理論特點,研究進展,
概論
真空能量
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化。采單純的觀點來說，物理場可以想作是充滿空間的振動球，之間以彈簧相連線。場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，並由對應於此特殊場的適當波方程所主導。量子場論的二次量子化程式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。所有量子場論的計算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。其中一個重要的例外是真空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，此值不為零：
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{\displaystyle En。腔室中電磁場的真空期望值則為：
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：每個能級 En都和形狀相依，因此應該將能級
以及真空期望值
寫成形狀s的函式。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出現攝動時的真空能量變動，這樣的形狀攝動可寫為
，是位置點p的函式。因此得到：
此值在許多實際場合是有限的。
原理
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。
圖中央為宇宙溫度絕對零度之零點能量真空埸
圖中央為宇宙溫度絕對零度之零點能量真空埸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。電磁場量子化後，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後的自然結果。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。
理論特點
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。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、套用、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，那么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貼上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。因為按海森堡的不確定性原理，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，那么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。
研究進展
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）將卡西米爾效應套用到了計算機晶片的設計上。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。
