卡什米尔力

量子场理论

卡什米尔力是量子场论中的现象，指在量子真空中两个非带电导体表面间产生的吸引力，与量子涨落相关，对纳米尺度物体有显著影响。

成果出版刊物

《物理学评论快报》（Physical Review Letters）

研究学者及单位

R. Onofrio / Dartmouth College & University of Padova

探测方法

用一个小的反射谐振腔（Reflective Cavity）来探测这种效应。谐振腔的一端不断振动，由此造成的从真空极化产生的光子在谐振腔中来回反射，并且由超冷原子（Ul tracold Atoms）放大以便于探测。要完成这个实验就要求将技术应用到极限，才能够探测到虚粒子对于运动物体的效应。

虚粒子的实化

一端振动的谐振腔（上）导致光子从真空中产生出来，通过被超冷原子放大，当这些光离开谐振腔的时候就能够被观察到（中、下）。这个实验能够展示出振动的物体受到虚粒子造成的阻尼。

量子场论要求看起来什么都没有的“真空”并不是真的一无所有，而是充满了虚粒子，这些虚粒子是不断产生和湮灭的光子。这些虚粒子会体现出称为卡什米尔力（Casimir Force）的可观测效应，这在相距只有纳米（Nanometer）距离的两个物体之间能够被测量到。

当一个小物体快速地振动的时候，会产生更为微弱的动力学卡什米尔效应（Dynamical Ca simir Effect）。比如说，这种小的物体可以是一个良导体（Ideal Conducting Surface ），在其表面上没有平行于其表面的电场或是垂直于其表面的磁场。在这个良导体的四周是量子真空，也就是说存在相互纠缠在一起的电磁场以及虚光子（Virtual Photon）。当这个表面来回运动的时候就会使得周围的电磁场产生规则的变化，变化的电磁场产生光子。在这个过程中表面损失一部分的振荡能量，使得振动衰减。

来自英国新汉普郡（New Hampshire）达特茅斯学院（Dartmouth College）和意大利帕多瓦大学（University of Padova）的Roberto Onofrio说：这个效应只能产生相对而言比较少的光子，所以要想在谐振腔中探测到这些光子唯一的希望在于使它们能够不断聚集起来，使得数量多到足以能够被仪器探测到。Onofrio和他的同事们想象着在谐振腔的一端蒙上一层薄的胶片，就像鼓上蒙着一层皮一样，能够产生光子并且捕获它们。为了使这个设想的实验变得实际可行，研究者们必须能够找到一种力学仪器来产生适合于被放大的光子。

他们已经发现并报导的胶片振荡的最高频率是3吉赫兹（Gigahertz），这种胶片是由氮化铝（Aluminum Nitride）制成的。由于振荡产生的光子是成对出现的，并且具有相等的能量，所以这个装置能够产生处于微波波段（Microwave Spectrum）具有1.5吉赫兹能量的光子。

进一步研究

在文中作者指出，虽然产生的光子的能量太低并且数量很少从而很难被观测到，但是可以用处于玻色-爱因斯坦凝聚（BEC: Bose-Einstein Condenstate）状态的超冷原子进行放大。光子所具有的1.5吉赫兹的能量刚好和钠（Sodium）原子的两个能级之间的能量差一致。为了放大由卡什米尔效应产生的光子（Casimir Photon），首先必须用激光将处于玻色-爱因斯坦凝聚状态的钠原子激发到较高的能级。然后将卡什米尔效应产生的光子打到整个的凝聚体上，这样就可以触发这些处于较高能级的钠原子一起跃迁到较低的能级，两能级之间的能量差转换成为光子，从而辐射出一大堆的光子。这个效应叫做超辐射（Superradia nce），已经在实验上被观察到了，研究者们通过计算发现它能够将卡什米尔效应产生的信号放大十亿倍。

来自加利福尼亚大学的Umar Mohideen认为这个建议是一个非常好的想法，而且对于实验具有挑战性，它会推动纳米制造和光测领域向前发展。来自位于弗吉尼亚州诺福克Old Dominion University 的Charles Sukenik认为这个实验看上去是可行的。他关心的重点是保持一个高品质光谐振腔所遇到的困难。如果这个实验成功，那将是又一个绝妙的实验，可以说明量子力学真空并不仅仅是一个理论上的构造。

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