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人妖 av 真空
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从古希腊时期最先，真空就是一个颇有争议的形而上学议题，古希腊著名形而上学家亚里士多德（Aristotélēs，前384年－前322年）说“大天然厌恶真空”！他合计真空在逻辑上是不可能的，这种真空不雅一直影响了后世1000多年。
由于现代科技的发展，东说念主们对真空的剖析还是与古希腊时期不可同日而说念，然而，真空到底是什么？如何界说真空？它的物理属性、特色？有哪些表面证明及实考阐发？
本文详尽了现代物理学对“真空”的探讨，包括观念、表面、及实验。
1真空是什么？av收藏1.1真空观念的变迁
古希腊形而上学家合计“真空”不可能存在！他们的根由是：空间必须装满物资才调传递物理作用。尽管这种浮浅原始的形而上学想法，还是被之后的物理实验含糊了，但听起来却又有点像如今量子场论的所谓“真空不空” 的说法！在科学史上，形而上学揣度与科学实验老是在矛盾和和解的反复斗争中催生表面的开辟和发展。不错举出好多诸如斯类的例子：光的粒子说和波动说，“以太”存在与否，古代的原子论，等等，真空观念之变迁也如斯。
17世纪时，意大利物理学家伽利略（Galileo Galilei，1564 –1642）从虹吸表象，对古希腊真空形而上学不雅提议了质疑。但第一次阐发“真空” 确凿存在的，是伽利略的学生托里拆利（Evangelista Torricelli，1608 –1647）在1643年发明的气压计。托里拆利用玻璃管和水银柱，向东说念主们展示了一截在管中真实存在的“真空”！见图1。
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图1：托里拆利实验
从那时候最先，东说念主们便有了对“真空”的概略观念（莫得大气），并得以解释许多表象。举例，滚水瓶为什么能保温？因为瓶胆的两层玻璃之间被抽成了真空，其中莫得了大气，便无法进行热传导，是以能保温。使用钨丝的电灯泡中是真空，灯丝枯竭氧气，才不会被很快地烧尽。
其后，真空观念从一个形而上学名词，变成了一种有价值的工业器具和工夫，用以达到某种实用的主张。东说念主们将真空工夫用于生涯及科研的各个方面。企图得到更高更纯的真空，成为现代工夫的指标之一。
不外，真空的界说是什么呢？多数东说念主想象的真空应该是不存在职何物资、空无一物的空间景象。因为咱们东说念主类生涯在地球上，生涯在被大气层包围着的环境中，是以一般公众清楚的真空，或者说接近“真空”的进度，是与容器中大气的若干、气压的高下相关的。
那么，要是咱们冲破了大气层的闭幕，去到寰宇空间中，那是不是就身处“真空”中了呢？
谜底是含糊的，尽管寰宇空间中莫得空气，但仍然不是空无一物。寰宇中充满了辐射能量，有多样种种的寰宇射线，及多样频率的电磁波，也包括咱们群众老练的可见光波。
看来，莫得物资、莫得能量、“空无一物”的环境，在履行情况下是很难达到的。而就物理表面而言，那亦然一种不可企及的景象。是以，真空的界说一直跟着科技的发展而变化，从“空无一物”到如今的“真空不空”。
1.2零点能-量子真空
相对论和量子力学，为物理学带来了编削性的进展，也深化了真空的观念。
真空，观念上不同于空间，但却与空间相关。如前边所述，将真空清楚为“空无一物”，便在履行上认同了牛顿的“透彻空间”，这已被相对论所甩掉。狭义相对论提议时空的相对性，广义相对论进一步合计时空与物资密切相关。因此，从相对论形而上学意思意思上来看待真空，更偏向“真空不空”。
真空不空的观念，最早是与量子物理中零点能量的观念相关联。零点能原意指的是量子系统处于基态（透彻零度）时所领有的能量。
零点能的观念最早出现在德国物理学家普朗克（Max Planck，1858-1947）1912年发表的一篇著述中【1】，他在再行表述他十几年前（1900年）首创的量子表面时提议的。
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图2：爱因斯坦用普朗克的辐射公式磋商氢分子比热
1900年，普朗克治理黑体辐射问题时，从统计力学推导出了黑体辐射公式。之后，在1911年至1913年发表的一系列论文里，普朗克提议他的"第二量子表面"；他在再行推导的能量辐射子的平均能量中，给出了零点能量的抒发式，即 (1/2) hn，h是普朗克常数，n是量子谐振子的频率，见图2左上方的公式。
把柄普朗克新表述的辐射公式，量子系统所领有的能量不行低于零点能。普朗克其时并不很介意这个(1/2) hn，但却很快地引起了正在商榷统计中涨落公式的爱因斯坦（Albert Einstein，1879－1955）的防卫。爱因斯坦说“零点能可能的确存在！”并和他的助手奥托·施特恩一皆写了一篇著述，假定双原子分子的旋转能含有零点能，况兼所有双原子分子以相似角速率旋转，然后磋商出双原子分子气体的比热。将氢气的表面比热与实验数据相互比较（图2的弧线），证明了零点能存在的必要性【2】。
1927年，德国物理学家海森堡（Heisenberg，1901－1976）的不笃定性旨趣从量子力学基础表面的角度，阐发了量子系统不可能莫得零点能。把柄不笃定性旨趣，动量和位置不行同期笃定。举例，接头一个处于谐振子势阱中的粒子，因为位置被闭幕了，动量便不可能为零，基态的能量也就不可能为零。因此，零点能与阔别易关系紧密贯串，也不错说，零点能是量子系统由于动量与位置阔别易所引起的能量不笃定性而产生的非零欲望值。
在量子场论的语义下，零点能与真空能是一致的，因此，零点能的存在说明“真空不空”。
1.3量子场论的真空
量子力学发展成量子场论。把柄场论的不雅点，寰宇的本体是场，每一种粒子都有其对应的量子场：电子有电子场，质子有质子场，还有胶子场、夸克场等等。场无处不在，为万物之基础，粒子则被视为相应场的引发态，发扬为波涛升沉的场中被激励而出现的“悠扬”。
量子场论中引进了粒子数算符以及生成算符及销毁算符等，并赐与了真空一个明确且量化了的界说：真空是“在职何销毁算符作用下都得到基态”的一种量子态。
用平庸的话说，真空态就是多样粒子数都还是降到最小值（0）的那种景象。这个界说也合乎“空无一物”的说法。然而，把柄量子物理中的不笃定性旨趣，即使莫得粒子莫得辐射，也仍然会存在量子涨落。或者说，即使空无一物，也仍然真空不空！也许有东说念主会问：既然莫得“粒子”，量子涨落又是什么呢？物理学家给了一个名词：虚粒子。
在量子场论中，每个时空点都被看作是量子化的简谐振子，并与相邻振子有相互作用，见图3a。每种谐振子的真空欲望值为1/2(hn)（图中所示是约化普朗克常数和角频率的乘积），因为谐振子可取的频率值为无限多，从而导致无限大的零点真空能量。
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图3：真空模子
量子场论触及零散艰深的数学运算，较直不雅的是用著名好意思国物理学家费曼（Feynman，1918－1988）发明的费曼图（见下一节的浮浅先容）来形色相互作用。费曼图形色的真空，是由多样种种所有可能的圈图组成，包括单圈或多圈的圈图。图3b展示了圈图的几个例子。这些圈图清晰了真空中无停止的量子涨落：多样粒子在泡沫式的真空海洋中，当场生成又已而销毁，它们被称为虚粒子。
1.4虚粒子（virtual particle）是什么？
解释虚粒子之前，起先，通过一个例子，浮浅先容一下费曼图。
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图4：典型费曼图例子
图4所示是一个典型的费曼图例子，形色入射电子e1和e2相互作用，临了生成（出射）电子e3和e4的一种散射历程，临了还放出了一个光子g6。
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费曼图也能形色其它粒子的散射，咱们这儿只谈量子电能源学，或称QED，它是形色电子和光子相互作用的表面。QED中费曼图有如下浮浅轨则：水平标的代表空间，垂直朝上代表时期，实线代表电子，海潮线代表光子。
图4的历程中，除了入射出射粒子以外，还有许多中间历程中很快产生又很快消亡了的粒子，即虚粒子，举例e5和e6、g1和g2等等。
必须防卫，费曼图形色的并不是粒子通顺的严格几何轨迹，不错看作一种“拓扑”结构。但费曼的图像能匡助咱们对场论中的相互作用进行直不雅的形象念念维，况兼也能简化场论中的磋商。
费曼图中不错浮浅地判定粒子的虚实。如图4所示，外线（入射出射）清晰的粒子，是可不雅测的实粒子；而内线（绿色线）清晰的，是不可不雅测的虚粒子。
对真空而言，费曼图都是闭圈（图3b），莫得外线，意味着莫得入射出射的实粒子，因此，真空由无数（正反）虚粒子组成。
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图5：虚粒子组成了真空
虚粒子，意即造谣或想象的粒子，履行上是为量子场论中零散的数学磋商而开辟的一种解释性的直不雅观念。不单是真空布满了虚粒子，实粒子之间的相互作用历程中也少不了它们，图4所示的电子-电子散射问题即是其中一例。
量子表面不同于经典表面，即使是咱们以为在脑袋里有显然图像的实粒子（电子、光子等），在量子寰宇中也发扬出难以清楚的反常行径，何况照旧“虚粒子”呢！
引进“虚粒子”的主张，是为了恢复“相互作用是如何发生的？”这一类问题。举例，当两个电子相互接近时，它们会因为带着相似的负电荷而相互摒除。这种摒除彰着是通过电磁场（光子）起作用的，但咱们并不见它们互射（真实的）光子，那么，量子电能源学如何来形色这个摒除作用发生的历程？
因为 “场”布满了通盘时空，是以，场观念的引进幸免了经典物理中的超距作用。QED中有不可分离的光子场和电子场。两个场之间相互作用的磋商，要比粒子与粒子之间作用的磋商复杂多了。它们的直不雅图像也结巴易想象。也许不错打个不恰当的比方：一锅白米粥与一锅黒米粥混在一块儿，鼎沸后箝制地冒泡使得“粥”分子之间相互影响，“悠扬”诱发“悠扬”，再诱发新的“悠扬”，将启动形态不绝传播后组成临了的景象。
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图6：一个虚光子对应一个复杂的积分
两个电子通过电子场和光子场相互作用而散射的具体磋商特别袭击，像费曼这样的天才东说念主物却能从中看穿天机，将通盘相互作用按照作用大小分红不同品级（+号之间）的许多项。这些项对应于他的旅途积分念念想中的多种可能性，即不同的旅途，如图6所示。费曼合计，电子散射闭幕是所有旅途孝顺的总额，项数有无限多，但最遑急的孝顺却来自于前几项。对电子散射而言，即使是第一项（蓝色方框所示），也对应了一个四维空间中的复杂积分，图6底下走漏了被积函数的矩阵元。
天然图6底下的公式很复杂，但它对应的费曼图却很浮浅（篮框），唯有2个特出，特出之间是一条表征光子的海潮线。这个费曼图不错用一句简洁直不雅的说法来清楚：“两个电子交换了一个虚光子！”
是以，所谓的虚光子，履行上清晰的是阿谁复杂的公式！
但这个观念太好了人妖 av，如斯一来，图6后头的下一级费曼子图也就容易“解释”了，不外是引进更多 “虚粒子” 的说法汉典。举例，加号之后四个特出的图中，图（A）是先后交换了两次虚光子；图（C）是在交换一个虚光子的历程中，产生正负（虚）电子对但立即又销毁了，等等。每一个可能的历程其实都对应一个冗长的数学抒发式，通过积分不错磋商出这个历程对总散射概率的孝顺。但是，只须不磋商，咱们用虚粒子来清楚它们。
是以，虚粒子是什么呢？它在数学上代表一个颇为复杂的积分，在物理上形色量子场之间某种复杂的相互作用。要是有东说念主一定要问：“虚粒子的确存在吗？”，就其物理意思意思而言，相互作用天然存在。但尽管存在，却不是以在时时意思意思下东说念主们所清楚的“粒子”那种形态而存在的。
其实，量子场论中，不论虚粒子照旧实粒子，都是场中的悠扬，都对应于某个数学形色。不外，实粒子不错抓续存在并一直传播，是能够被探伤器摄取而不雅测到的“真实”粒子，而虚粒子夭折且瞬变，在修成正果之前就消亡了。既然虚粒子不可径直不雅测，也莫得单一而且明确的物理图像，根究它是否真实存在就莫得任何意思意思了，最佳照旧将它们清楚为只是为了提供某种证明性图像的一种观念化技能比较合适。
换言之，量子场论的真空不空的意思就是说，真空充满了虚粒子，充满了相互作用，或者说，充满了能量。
2真空效应2.1反常磁矩和兰姆位移
量子场论中的真空被界说为所有的粒子数都为零，是以不存在实粒子。但由于1/2(hn)基态能量的存在，真空被解释为“不空“的，充满了无限多的、箝制变换的虚粒子。
如何考证如上所述的这种真空表面呢？虚粒子天然看不见摸不着，但是，它的真空涨落效应，却不错通过与实粒子的相互作用而被探伤到。举例，
真空涨落将引起电子磁矩偏离浮浅的玻尔磁子值，ae =(g－2)/2。这个表象称为反常磁矩。好意思籍德裔物理学家库什（Kusech，1911-1993）在精密测定电子磁矩中发现了反常电子磁矩。此外，好意思国物理学家兰姆（Lamb，1913－2008）在氢谱高超结构的商榷中发现了兰姆位移，兰姆和库什两位学者并因此而荣获1955年的诺贝尔物理奖。
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图7：兰姆位移
兰姆位移阐发了真空涨落和零点能的存在。兰姆位移的值约为1000兆赫（MHz），是很小的能量差。图7左图，比较了三种表面框架下的（部分）氢原子光谱：玻尔模子中的一个简并能级在狄拉克相对论表面下分裂成高超结构。然后，更为高超的兰姆位移不错用QED表面解释。氢原子基态能级是13.6ev，高超结构唯有基态数目级的十万分之一，兰姆位移又唯有高超结构的十分之一。
图7右图是引起兰姆位移的相关费曼图，对应于电子自能和真空极化。不错直不雅清楚为狭窄的零点震憾，“抹开”了原子的电子云，因此库仑位势被摄动了，使得两个能级（2s1/2，2p1/2）的简并性被遏止。
2.2卡西米尔效应
卡西米尔表象是最著名的真空效应。
如前所述，真空中充满了多样类型的虚粒子。可能有东说念主会说：把这些虚粒子移走吧，那才是确凿的真空！不外，从量子场论角度的分析解释，这是不可能作念到的，不错被“移走”的，叫作念实粒子，虚粒子是不可能被移走的，因为履行上它们并不是什么“粒子”，而只是能量最低的“基态”，是永远存在、已而万变、不可分开、有能量的多样“场”、多样相互作用，混在一皆的大杂烩！尽管如斯，咱们仍然心爱使用“虚粒子”一词，因为它形象、浮浅，在一定的进度上抽象出了相互作用的本体。
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图8：卡西米尔
那好，既然真空中有这样多具能量的虚粒子，那咱们可不不错探伤到它们的存在？有东说念主又进一步地非分之想：能不行把这些能量开释一些出来，供东说念主类利用呢？
开释出来？听起来有点像要造用永动机，不错暂不接头，但想出某种表率探伤真空能是可行的！况兼，早在70多年前就有科学家作此建议，并有许多科学家一直在对此作白首穷经的探索！这就是：卡西米尔提议的卡西米尔效应。
亨里克·卡西米尔（Henrik Casimir，1900-2000）是荷兰物理学家，他在保罗·埃伦费斯特的指引下于莱顿大学学习，并赢得表面物理博士学位。读博期间他曾经到哥本哈根商榷所，陪同玻尔作念商榷。玻尔其时在丹麦大名鼎鼎，履行上，阿谁年代的其他大物理学家也一样，被我方国度的寰球平常认同和小心，犹如现代的歌星影星。卡西米尔曾经讲过一个真义的故事来说明当年玻尔的名气：他让他在荷兰的父母给在丹麦的他写一封信，信封上的地址只写“卡西米尔/尼尔斯·波尔，丹麦”，不写别的！竟然，这封信在几天之内就从荷兰准时到达了卡西米尔的手中。博士毕业后，卡西米尔又在泡利的指引下作博士后商榷。
强将辖下无弱兵！才华横溢、设立颇丰的卡西米尔对表面物理有许多孝顺。包括在数学上证明了半单李群的完全可约清晰；提议了核四极矩假定，磋商超高超结构；给出了顺磁弛豫表象的热力学解释; 治理了超导态的热力学表面等。有名的卡西米尔效应是他二战后（1948年）在飞利浦物理实验室责任时提议的【3】，这个效应的商榷丰富了量子场论的真空不雅念，启发了科学家们对天然规则多方面的积极念念考，其影响一直延续于今。
卡西米尔不仅是位优秀的表面物理学家，还从事多项工业方面的相关商榷。不外，1930年代的学术界并不饱读吹科学家参与接头工夫问题，卡西米尔是个特例。他同期心疼表面和应用的一颦一笑，使科学巨匠们感到困惑。泡利就曾嘲讽地称卡西米尔为“总工先生”，并怀疑他是否能在工业环境中络续开展科学商榷。事实证明了卡西米尔这方面的远见高见，他的后半生，作为飞利浦商榷实验室的主任，齐全地联结了科学和工夫这两个不同的领域。卡西米尔成为两方面的领军东说念主物。
科学和工夫是相互依存的，提议卡西米尔效应的历程也证明了这点：这个发现产生于在飞利浦实验室对用于工业的石英粉末悬浮液的商榷。如图8所示，卡西米尔效应指的是真空中两片中性（不带电）的金属板会出现吸力而相互聚合的表象。欲望情形下，要求平板是无限大和无限薄的。这种似乎是望风捕影的招引力，在经典表面中是不会出现的，一般被解释为是量子场论的一个遑急闭幕，因为它阐发了零点能的存在。
晚年的卡西米尔将他的告诫发展成一种商榷模式，称其为科学－工夫互惠模式，即科学商榷和工业工夫研发相互依存，共同发展的模式。
2.3磋商卡西米尔力
卡西米尔是在商榷胶体分子间范德華（Van der Waals）力时，启发了卡西米尔力的磋商。卡西米尔与Polder相助，接头胶体分子问题的相对论修正之后，进一步念念考两个宏不雅物体之间的色散招引力问题。当他向玻尔（Bohr）评述这项责任时，玻尔嘟哝着说了一句：这一定与零点能相关！敏锐的卡西米尔受到启发后，完成了两平板之间招引力的磋商，得到了著名的卡西米尔力公式。
这是最广为东说念主知的真空场偏激场效应的例子。不错浮浅地用真空涨落来清楚：两个平面之间的真空涨落不同于平面外面的真空涨落，其原因是因为靠得很近的平面闭幕了其中能快活的某些虚光子的频率（或波长）。
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图9：浮浅估算单元面积的卡西米尔力F
举例，假定两个平面之间的距离为d，如图9所示，唯有波长l小于2d的波动才调存在于两个平板之间。或者从粒子的角度来说，就是平板之间只可容纳频率v大于c/(2d)的光子。这样的话，经管于平面之间的虚光子数，要比外面的虚光子数少好多，因此，涨落的能量也就更小。里外真空涨落的互异，对平板产生一个向内的推力F（单元面积的力），使得它们发扬为相互招引的卡西米尔效应。
当咱们磋商真空零点能的时候，由于不笃定性旨趣，所有频率的量子涨落模都需要接头，用图9中的能量谱密度（r0(w)）的磋商公式对所有的频率积分，这个磋商彰着会带来无限大的零点能，这也恰是量子场论紫外发散的体现。不外，当咱们磋商卡西米尔平板“里外”的两个真空涨落之差时，两个趋于无限大的抒发式相减，许多项相互对消了，是以，会得出一个跟着板间距离d变化的、有限大小的单元面积的卡西米尔力F，如图9右边蓝框中的抒发式。
由图9中抒发式可见，单元面积的卡西米尔力F与普朗克常数成正比，这恰是量子效应的发扬，因为把柄经典电能源学，两个中性导体板之间不可能有经典力存在。同期，F也和光速成正比，这是电磁场的特征常数，也因为磋商中接头了相对论效应的起因。此外，F与板间距离d的四次方成反比，说明跟着距离的减小，F增多很快；F的负号，则代表这是一个标的向内的招引力。
卡西米尔力很小，唯有在两平板距离特别之小时才不错被检测到。然而，该效应有令东说念主瞻仰之处。举例，接头距离d=1微米的情况，算出的卡西米尔压强劲要是1.3 mPa，还是是一个宏不雅的数值。要是距离d=10纳米（概略是一个原子圭臬的100倍）时，卡西米尔效应能产生1个大气压的压力（101.3千帕）！因此，卡西米尔力不错看作是量子效应在宏不雅上的体现。
2.4实考阐发卡西米尔效应
尽管可看作量子效应的宏不雅体现，仍然难以实验检测，其原因是因为实验要求要求太高：两个平行金属板相距很小距离（如1微米），还要作念到“严格平行”，名义“白嫩无杂质”，等等。因此，直到卡西米尔效应被预言的10年之后，斯帕纳伊（M. J. Sparnaay）才完成了对卡西米尔力的初度测量【4】。实验的精度天然不高，却阐发了该效应的存在，第一次对检测卡西米尔力有了践诺剖析。
1997年，其时在好意思国华盛顿大学的史蒂夫·拉莫洛克斯（Steve Lamoreaux）初度对卡西米尔的表面提供了刚烈的实考阐发【5】。他们利用新的表率，对卡西米尔力进行了更精准的测量，
天然卡西米尔（Casimir）领先的表面是用于平行板，但履行上以这种花样测量力是很袭击的，因为很难将靠得很近、具有一定面积的两个金属板，对皆得弥漫好以得到精准的实验闭幕。对此，拉莫洛克斯在1997年杀青了根底的冲破，他们测量金属板和金属球之间的力，这种成立不需要精准瞄准两个平面，因为如图10a中的公式所示，这时候的卡西米尔力与平面的面积无关！
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图10：测量卡西米尔效应的实验
拉莫洛克斯的实验闭幕在距离大要为1微米时，实验数据在5%～10%的纰缪内与表面一致。与之前的测量比较，这是一个了不得的设立。是以，拉莫洛克斯对表率的矫正算是卡西米尔实验的一个里程碑。自此之后，物理学家们接头、磋商、测试了多样不同几何时势的金属名义之间的卡西米尔效应。
此外，卡西米尔力有时还发扬为斥力【6，7】，不是时时的招引力，和朗说念一皆写《表面物理学教程》的栗弗席兹最早磋商了这种结构【6】。如图11左边球壳上的卡西米尔力是摒除性的，要是将球中充满了介质（图11右图）又会变成招引力。
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图11：卡西米尔效应的摒除和招引作用
2.5卡西米尔效应的应用
卡西米尔力最遑急的意思意思是在于它是量子表象的宏不雅效应。比年来，不仅在其实验检测方面有冲破，表面商榷也有进展。一个真义的事实是：卡西米尔当年的商榷肇始于对范德華力的磋商，几十年之后，表面上还是证明，这看起来完全不同的两种力，本体上是一样的！都是发源于真空涨落【8】，因此，两者的界限还是最先模糊，不错说范德华力其实是分子圭臬的卡西米尔效应。相关范德華力和卡西米尔力的相关商榷还触及到一个真义的事实：壁虎能爬墙的原因，本来用范德华力来清楚，现在也不错将它说成是卡西米尔力，恰是印证了“量子表象的宏不雅效应”那句话。
卡西米尔效应在纳米工夫中有发扬，对纳米圭臬袖珍器件的打算和制造，既有不良的影响，也有好的应用，因为当距离小于几十纳米时，和其他力比较，卡西米尔力占了主导地位。举例，有可能使得本来可转移的部件粘结在一皆，使得可转移元件坍缩到本来不动的元件上，对系统形成了广阔的遏止。东说念主们也利用此类无益表象，达到灵验的主张，举例有东说念主开辟了由卡西米尔力驱动的袖珍机械安装；有东说念主在微米级机械组件MEMS的打算中，利用卡西米尔效应限制器件中导电池的通顺，等等，此类商榷方兴未已。
总之，卡西米尔物理还是远远超出了73年之前领先商榷责任探索的规模，成为一个物理丰富的真义而活跃的商榷题目。
3 进一步扰动真空
卡西米尔效应等还是让咱们切实地体会到了真空中虚粒子的存在，近几年科技界的绝活远不啻这点。虚粒子不仅存在，一定的要求下还能“滚动成”实粒子！这包括如下几个热点题材：卡西米尔能源学效应、黑洞的霍金辐射……咱们将鄙人面先容这些，以及真空与寰宇学的关联，等等。
英国表面物理学家斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking，1942－2018），可算是中国公众眼中最老练的现代科学家。不单是是老练霍金这个名字，而是还是险些将他神化，也将他对物理学的孝顺有所夸大。轮椅上的霍金成为许多东说念主心目中 “天才科学家” 的形象；他的《时期简史》和《果壳中的寰宇》等，成为最受接待的畅销书。中国寰球本来就对现代物理学和现代寰宇学知之甚少，如今斗争到这些读起来似懂非懂的科普读物以及媒体夸张乌有的报说念，不由得嗅觉眼界打开。于是，将相关黑洞的商榷、相关寰宇学大爆炸模子的开辟……等等现代物理学观念，透彻归于霍金名下。许多中国东说念主将霍金誉为现代的爱因斯坦，合计他是现代最伟大的物理学家。
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图12：霍金一家（1982年傍边？）
笔者第一次见到霍金，是在八十年代初陪同导师塞西尔·德威特去Santa Barbara参预的一次学术会议上。那时的霍金概略是图12所示的神色，尽管还是在轮椅上坐了多年，但面部颜料基本正常。不外，作酬报时所说的话还是无东说念主能听懂，传奇唯有他的助理能明白，然后再翻译给群众听。
霍金的一世的确是一个遗迹，是东说念主的精神意志战胜疾病的人命之遗迹。遗迹在于他患了荒原的“渐冻东说念主症”，医师预言他只可活两年傍边，他却活了55年！遗迹在于他不仅活了这样多年，还能够在轮椅上用他的超等大脑念念考机密的科知识题，为东说念主类、为物理学，作念出了超乎常东说念主能作念出的非常孝顺！
霍金并不是黑洞表面和寰宇表率模子的创始东说念主。这两个表面都是在爱因斯坦广义相对论的框架下，许多物理学家们共同勤劳的恶果。之后，东说念主们企图将量子表面与引力表面联结在一皆，这种想法也被掌握到寰宇学中，霍金的商榷领域就是这个方面，他可算是提议由广义相对论和量子力学合股解释的黑洞表面之第一东说念主。在与此相关的商榷中，霍金的孝顺主要有两点。一是与英国数学物理学家罗杰·彭罗斯（Sir Roger Penrose，1931-）共同相助提议了黑洞的奇性定理，另一项是对于黑洞会披发辐射的表面性权衡，称之为霍金辐射。
对霍金辐射的解读与量子场论的真空观念相关，不外，在解释霍金辐射之前，咱们起先先容真空中另外两个雷同的表象。
3.1动态卡西米尔效应
从之前的先容，咱们知说念真空不空，由多样虚粒子组成！换言之，真空的能量装潢在虚粒子中，而虚粒子不错手脚是已而生成又坐窝销毁的一双正反粒子。这个正反粒子对，在一定的环境下是否不错滚动成实粒子呢？这个疑问还是在实验中被解答，被扰动的真空中，虚粒子滚动成实粒子的表象还是被不雅察到。这个表象被称为动态（dynamical）卡西米尔效应。
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图13：动态卡西米尔效应暗示图
传统意思意思的卡西米尔力指的是相对静止的两平面之间的招引，动态卡西米尔效应中的两面镜子则相对而言作快速转移（雷同机械振动）。也就是说，相对之间有一个标的大小不绝变化的加快度。
这个很快加快转移的镜面不错将虚光子变成真实的光子。其历程不错直不雅地清楚为加快度的作用遏止了已而产生已而销毁的正负粒子对之间的正常时期关系，时期变长，长到虚粒子成为实粒子而被放射出来，如图13右下图所示。
所谓“镜面的加快转移”未必见得要真用机械表率杀青，不错有多样等效的模拟表率。2011年，瑞典哥德堡的商榷东说念主员杀青了超导微波谐振器中的动态卡西米尔效应，检测到从真空中产生的微波光子【9】。2013年3月，PNAS科学期刊上的一篇著述，形色了约瑟夫森材料中的动态卡西米尔效应。
3.2 Unruh效应
动态卡西米尔效应形色的是两面镜子相对振动时真空态的变化情况。要是不是走动振动，而是将这种想法扩展到匀加快坐标系统，则得到安鲁辐射。换句话说，假定Alice和Bob二东说念主分乘两艘相对作匀加快通顺的飞船，他们看到的真空会是一样的吗？上世纪70年代几位物理学家的商榷就是为了恢复这个问题。现在咱们将其称为安鲁效应。有时也称为傅苓-戴维斯-安鲁效应（Fulling–Davies–Unruh effect），因为它由以下三位东说念主士提议：史蒂芬·傅苓（1973年）、保罗·戴维斯（1975年）以及1976年的威廉·安鲁【10】。
安鲁效应的意思是说：假定Alice的环境是真空态（莫得实粒子，温度T=0），那么，相对于Alice作匀加快通顺的Bob就不是处于真空态，他会感受到我方处在一个和蔼的寰宇布景中，如图14所示。Bob不错不雅测到惯性不雅察者Alice无法看到的黑体辐射。他可测到一个与其加快度a成正比的、不为零的温度T，见图中的公式 。换言之，他的周围环境不是唯有虚粒子的“真空”！
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图14：安鲁效应（Unruh effect）
安鲁效应说明：惯性参考系中不雅测到的量子基态，与加快参考系中的不雅察者能看到的真空态是不一样的。真空与不雅测的参考系相关！这再一次说明了真空不空，也不可能“空”。
3.3霍金辐射
上头两个表象都是加快通顺对真空的影响。把柄等效旨趣，加快度和引力场是等效的。也就是说，在强劲的引力场隔邻，也有可能发生“虚光子”滚动成“实光子”产生辐射的表象。“霍金辐射”就是一个典型的例子。
起先浮浅先容一下黑洞物理的历史。爱因斯坦1915年创建的广义相对论，将引力几何化，解释为迂曲时空的曲率，与量子表面莫得任何相关。是以，广义相对论相对于“量子论”而言，是经典的表面。经典黑洞，即是这个经典表面的特解，不错被浮浅的几个参数所形色，由此惠勒提议了“黑洞无毛定理”。无毛的意思是“少毛”，举例，以德国天体裁家卡尔·施瓦西（Karl Schwarzschild，1873－1916）定名的施瓦西黑洞，唯有质料、角动量以及电荷三个参数，即黑洞三毛。
惠勒对黑洞商榷颇深。一次，惠勒和他的一个博士商榷生，以色列裔好意思国物理学家雅各布·贝肯斯坦（JacobBekenstein，1947年-2015年）在安谧欢畅地喝下昼茶时，惠勒突发奇想，问学生说念：“要是你倒一杯热茶到黑洞中，会如何？”这是一个难于恢复的问题，因为热茶既有热量又有熵，但一切物资被黑洞吞下后就消亡不见了，那么，热茶的热量和熵到那儿去了呢？
指引讲授的问题，令年青学子昼夜苦念念，也引发了他无比的想象力。贝肯斯坦合计，为了保存热力学第二定律，黑洞一定要有“熵”！贝肯斯坦的黑洞熵观念坐窝带来一个新问题：要是黑洞具有熵，那它也应该具有温度，要是有温度，即使这个温度再低，也就会产生热辐射。
最早相识到黑洞会产生辐射的东说念主并不是霍金，而是莫斯科的泽尔多维奇，霍金最先时不赞同贝肯斯坦提议的“黑洞熵”，其后从泽尔多维奇等东说念主的责任中吸取了养分，得到启发，相识到这是一个将广义相对论与量子表面会通在一皆的一个遑急开始。于是，霍金进行了一系列的磋商，临了承认了贝肯斯坦“名义积即熵”的不雅念，提议了著名的霍金辐射【11】。
黑洞辐射不是一个浮浅的公式就能了事的，起先得说明辐射的物理机制。把柄霍金的解释和磋商，黑洞辐射产生的物理机制是黑洞视界周围时空中的真空量子涨落。在黑洞事件规模隔邻，量子涨落效应势必会产生出许多虚粒子对。这些粒子反粒子对的侥幸有三种情形：一双粒子都掉入黑洞；一双粒子都飞离视界，临了相互销毁；第三种情形是最真义的：一双正反粒子中佩戴负能量的那一个掉进黑洞，再也出不来，而另一个（佩戴正能量的）则飞离黑洞到辽远，形成霍金辐射。这些逃离黑洞引力的粒子将带走一部分质料，从而形成黑洞质料的亏本，使其逐步松开并最终“挥发”消亡，见图15。
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图15：霍金辐射
霍金的分析飞速成为第一个令东说念主信服的量子引力表面，但现时尚未履行不雅察到霍金辐射的存在。
况兼，霍金辐射的机制将导致“信息丢失”，关联词量子力学合计信息不会无语其妙地消亡。这就形成了黑洞的信息悖论。在霍金人命的临了十几年，黑洞各人们对此的争论和探讨不绝，似乎发起了一场“干戈”，在好意思国斯坦福大学讲授伦纳德·萨斯坎德（Leonard Susskind，1940年－）的《黑洞干戈》一书中，对此有精彩而意思的阐扬【12】。
霍金治服他的商榷闭幕，只好合计信息就是“丢失”了。干戈的另一方则强调量子力学的论断，合计信息不可能无语其妙地丢失。形成黑洞之前星体的信息，以及黑洞形成后掉入黑洞物资的信息，都保存在黑洞视界的二维球面上，犹如一张储存立体图像信息的“全息胶片”，在霍金辐射历程中，这些信息应该会以某种花样被再行开释出来。
之后，霍金对黑洞的信息丢失问题，发表了一系列著述，提议一些新的说法。举例他曾经合计事件视界不存在，声称黑洞不黑，应该叫作念“灰洞”；又说，黑洞并非无毛，而是长满了软毛，提议“软毛定理”之类的。此外，形成“霍金辐射”产生的一双粒子是相互纠缠的。处于量子纠缠态的两个粒子，不论相隔多远，都会相互纠缠，即使现在一个粒子穿过了黑洞的事件视界，另一个飞向天边，似乎也莫得根由改变它们的纠缠景象，对此的解释也难以使东说念主信服。比年来，弦论学家们在黑洞信息丢失问题上有些进展，也触及到对“时期空间”致使真空观念的清楚，咱们在此均不予胪陈。
4 寰宇学和真空4.1暗能量、寰宇常数
寰宇学的主流不雅点将真空能量和寰宇中的暗能量接洽在一皆。暗能量又和爱因斯坦在广义相对论的引力场方程中引入的“寰宇常数”一项相关。引力场方程可抒发如下：
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图16：爱因斯坦的引力场方程
方程中的Λ即为寰宇常数。爱因斯坦最早加上这一项的主张是企图得到一个稳恒静态的寰宇图景，但本日体裁家爱德温·哈勃（Edwin Hubble，1889-1953）不雅察到寰宇并非处于稳恒静态，而是在不绝扩展的事实之后，爱因斯坦消沉缺憾不已，合计是他“一世中最大的无理”，要“除掉”他的寰宇常数。
这个真义而乖癖的寰宇学常数不仅屡次困惑爱因斯坦，曾经经给寰宇学家们带来反复多变的疑难。物理学家们把柄天文不雅测的履行数据来调遣常数的正负号，决定对它的弃取。比如，在1998年以前，东说念主们合计寰宇是在延缓扩展，不需要寰宇常数这一项，便将它的值设为0。而在1998年的不雅测事实证明了寰宇是在加快扩展之后，物理学家们又将它请了总结，用以解释寰宇为什么加快扩展。但是，问题又来了：这个寰宇常数到底是个什么东西？它为什么不是零？
4.2真空灾变
物理学家们暂时将寰宇常数解释为真空能量，于是，寰宇常数变成了“暗能量”的同义词。但怎么磋商真空能量密度却是物理学中尚未治理的一个大问题。要是把真空能量当作是所有已知量子场孝顺的零点能的总额的话，这样得出来的闭幕比天文不雅测得到的寰宇常数值大了120个数目级，这互异被称为真空灾变！因此，这种“暗能量即真空能”的等同很难令东说念主信服，被瞻仰为“物理史上最差劲的表面权衡”！物理学者合计这是现时物理表面的要紧舛讹。
咱们在此省略备先容真空涨落与寰宇常数的关系，感意思的读者，可参考笔者寰宇学方面的一册科普读物【13】。
迄今为止，暗能量和暗物资一样，依然是寰宇中最大的未解之谜之一。此外，真空是空间的一种景象，而空间时期的观念，尽管还是被层层深化，但仍旧遥远困惑着科学家和形而上学家们。
因此，真空的本体仍然有待深刻清楚，需要物理学家们更多的、偶然是永无颠倒的探索。
参考贵寓
【1】Max Planck， über die Begründung des Gesetzes der schwarzen Strahlumg， Annalen der Physik 37， 642-656(1912).
【2】A. Einstein and O. Stern， Einige Argumente für die Annahme einer molecular Agitation beim absoluten Nullpunkt， Ann. Phys.(4) 40， 551 (1913).
【3】 Casimir H B G. On the attraction between two perfectly conducting plates. Proc K Ned Akad Wet， 1948， 51:793-795.
【4】Sparnaay M J. Measurements of attractive forces between flat plates. Physica， 1958， 24:751-764.
【5】 Lamoreaux S K. Demonstration of the Casimir force in the 0.6 to 6 mm range. Phys Rev Lett， 1997， 78:5-8.
【6】 Lifshitz， E. M. The theory of molecular attractive forces between solids. Sov. Phys. JETP 2， 73–83 (1956)
【7】 Boyer T H. Quantum electromagnetic zero-Point energy of a conducting spherical shell and the Casimir model for a charged particle. Phys Rev， 1968， 174（5）:1764-76.
【8】Klimchitskaya， G. L.; Mostepanenko， V. M. (July 2015). "Casimir and van der Waals Forces: Advances and Problems". Proceedings of Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University (517): 41–65. arXiv:1507.02393
【9】Wilson， C. M.; Johansson， G.; Pourkabirian， A.; Simoen， M.; Johansson， J. R.; Duty， T.; Nori， F.; Delsing， P. (2011). "Observation of the Dynamical Casimir Effect in a Superconducting Circuit". Nature. 479 (7373): 376–379.
【10】William G. Unruh: Notes on Black Hole Evaporation. Phys. Rev. D 14 870， 1976
【11】Hawking，S.W. (1974). "Black hole explosions?". Nature 248 (5443): 30–31.
【12】[好意思]伦纳德·萨斯坎德著，李新洲等译，《黑洞干戈》[M]，湖南科技出书社，2010年， pp. 155-210。
【13】张天蓉. 不灭的迷惑-寰宇之谜[M].北京:清华大学出书社，pp.123-148，2016年12月.
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最近几个视频：YouTube
黎曼揣度：https://www.youtube.com/watch?v=HS8b5N8R3X8&list=PL6YHSDB0mjBJifi3hkHL25P3K9T-bmzeA&index=34&t=248s
庞加莱揣度：https://www.youtube.com/watch?v=VconMgjnXLc&list=PL6YHSDB0mjBJifi3hkHL25P3K9T-bmzeA&index=33
漫评述地-看到畴昔：https://www.youtube.com/watch?v=Zb6TEdO-y60
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