萬(wàn)物緣于虛無(wú)──談空間的量子漲落
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【摘要】一些大膽的新物理學(xué)家從真空中的漲落（fluctuations）現(xiàn)象出發(fā)，進(jìn)一步可能推導(dǎo)出統(tǒng)一場(chǎng)論的結(jié)果，并且解釋為什么量子力學(xué)會(huì)行得通以及宇宙的起源。
量子力學(xué)難以解答的基本問(wèn)題
古典物理學(xué)家告訴我們，如果把原子比做太陽(yáng)系的縮影，原子核比做太陽(yáng)，電子像行星一樣繞著軌道運(yùn)行，那么原子便不會(huì)存在。因?yàn)檫\(yùn)轉(zhuǎn)中的電子，會(huì)像一個(gè)微小的無(wú)線電天線一樣，不斷放出能量，因?yàn)槟芰坑?，則軌道半徑愈小，因而最后撞上原子核而使原子結(jié)構(gòu)消失。為了解決這個(gè)問(wèn)題，物理學(xué)家引進(jìn)一套數(shù)學(xué)法則，叫做「量子力學(xué)」，來(lái)描述究竟是怎么一回事。量子理論賦予物質(zhì)和能量同時(shí)兼具波動(dòng)和粒子的雙重特性，并限制電子只能運(yùn)行于特定的軌道或能階上。因此，除非電子從一個(gè)軌道遷移至另一個(gè)軌道，否則不會(huì)釋出能量。
原子光譜之測(cè)量證明量子力學(xué)的理論是正確的。原子顯然只放射或吸收特定波長(zhǎng)的光子，而此波長(zhǎng)正好與量子力學(xué)所預(yù)測(cè)的相吻合。大部分物理學(xué)家都滿意于量子力學(xué)對(duì)于推算實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確。然而如果我們重復(fù)同樣的問(wèn)題：「為什么運(yùn)行中的電子不會(huì)輻射能量」，則答案是：「呃……，反正按照量子力學(xué)，它就是不會(huì)輻射?！咕蛻{這一點(diǎn)，別說(shuō)是門(mén)外漢，甚至有些物理學(xué)者，都覺(jué)得一定有什么地方不對(duì)勁。事實(shí)上大部分的近代物理學(xué)都建構(gòu)在一些結(jié)果正確、但是對(duì)基本問(wèn)題的解答付之闕如的理論上。這些基本問(wèn)題諸如：重力是什么？為什么宇宙是現(xiàn)在的樣子？或者它是怎樣開(kāi)始的？令人驚訝的是這些看似難以回答的問(wèn)題，也許就快有答案了。或許會(huì)更令人驚奇的是，這些答案似乎將來(lái)自于空蕩蕩的「空間」、真空、虛無(wú)。
量子力學(xué)與零點(diǎn)能量
事實(shí)上，根據(jù)量子理論，所謂的真空或是介于物質(zhì)、星辰間的空間，并非空無(wú)一物，而是充塞著巨大而不斷漲落的能量.要了解此一不尋常的概念，必須先說(shuō)明什么是量子理論中的「漲落」?！笣q落」是量子理論的基本概念。海森堡在1927年提出測(cè)不準(zhǔn)原理，它說(shuō)要確切知道一個(gè)系統(tǒng)的每一件事是不可能的，因?yàn)檎麄€(gè)大自然似乎都處于一種固有的漲落之中。事實(shí)上，量子力學(xué)是一套統(tǒng)計(jì)觀的理論。舉例說(shuō)，我們無(wú)法同時(shí)確切知道一個(gè)電子的位置和動(dòng)量。如果我們精確知道其動(dòng)量或能量，則只能機(jī)率式地描述其位置。
此種模糊、機(jī)率式的描述方式，使得電子軌道的形狀和大小在一個(gè)范圍內(nèi)變動(dòng)著。它同時(shí)也暗示系統(tǒng)能量也是模糊的，也就是說(shuō)，由于漲落現(xiàn)象，系統(tǒng)有可能穿越其能障。因?yàn)樵诹孔永碚撝校┰侥苷系臋C(jī)率雖小，卻總是存在。
量子力學(xué)這種固有的模糊特性，可以說(shuō)明一些古典物理無(wú)法說(shuō)明的現(xiàn)象。舉例說(shuō)，古典力學(xué)認(rèn)為，任何一個(gè)振蕩器，如鐘擺啟動(dòng)后，終會(huì)因空氣摩擦力而歸于靜止；而量子力學(xué)則認(rèn)為不會(huì)達(dá)到完全靜止，而是帶著一部分殘余能量，在該位置四周，持續(xù)作不規(guī)則的游移。這分殘余能量就叫做「零點(diǎn)」能量。
命名為零點(diǎn)能量的理由是，因?yàn)榇朔N擾動(dòng)在絕對(duì)溫度零度時(shí)仍將存在。雖然我們不可能觀察到鐘擺的零點(diǎn)能量，因?yàn)樗⑿?，但是它確實(shí)存在。在許多物理系統(tǒng)中，它導(dǎo)致非常重要的結(jié)果。例如無(wú)論技術(shù)多完美，都無(wú)法全數(shù)消除微波接收機(jī)中的噪聲。
零點(diǎn)能量的產(chǎn)生，是由于真空能量不可預(yù)期的隨機(jī)擾動(dòng)所造成，正如測(cè)不準(zhǔn)原理所預(yù)期的一樣，但是在古典物理中，這項(xiàng)能量為零。事實(shí)上，真空能量的漲落可以巨大到無(wú)中生有的產(chǎn)生粒子，而又在尚未違反測(cè)不準(zhǔn)原理前及時(shí)消失。暫時(shí)形成的虛擬粒子，正如湍急瀑布旁濺起之飛沫一般。
在所有的零點(diǎn)漲落現(xiàn)象中，電磁能應(yīng)屬最容易偵測(cè)的。電磁波有駐波和行波兩種模式，不同的波又各自有其節(jié)點(diǎn)和波峰。因此，雖然每一個(gè)模式的零點(diǎn)能量很?。ǖ扔诎雮€(gè)光子），但因?yàn)橛袩o(wú)窮多的傳播模式，亦即指頻率和傳播方向有無(wú)窮多，因此，所有可能模式合計(jì)起來(lái)的總能量就相當(dāng)巨大了。令人難以置信的，其能量密度可能比原子核的還高，而這正是環(huán)繞我們四周、人們以為空無(wú)一物的空間。
零點(diǎn)能量的證據(jù)
既然電磁波零點(diǎn)能量如此巨大，照理應(yīng)該很容易觀測(cè)它的效應(yīng)，其實(shí)不然，因?yàn)樗芏确植枷喈?dāng)均勻。但是在某種特殊情況下，當(dāng)此均勻分布受到些許擾動(dòng)，便可偵測(cè)到此一效應(yīng)。在1940年代末期，藍(lán)姆（W. Lamb）用二次大戰(zhàn)時(shí)所發(fā)展出來(lái)的雷達(dá)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)電磁零點(diǎn)能量擾動(dòng)造成原子光譜的些許偏移，其偏移量約1000MHz，此即謂藍(lán)姆偏移（Lamb shift）。
另一個(gè)是卡什米爾效應(yīng)（Casimir effect），它預(yù)測(cè)兩片靠近的金屬片會(huì)互相吸引。考慮兩片分開(kāi)特定距離的金屬片，能存在其間的波，其半波長(zhǎng)之整數(shù)倍應(yīng)與此距離相等，而在兩板之外，幾乎所有波都會(huì)存在。外側(cè)波所帶的能量及動(dòng)量遠(yuǎn)大于內(nèi)側(cè)，此種不平衡造成金屬板互相靠近（見(jiàn)附圖）。
再回到基本問(wèn)題，為什么電子在最低能階軌道運(yùn)行時(shí)不會(huì)輻射能量？上述現(xiàn)象跟這個(gè)問(wèn)題有何關(guān)系？我曾試著拿零點(diǎn)能量理論來(lái)加以解釋。我發(fā)現(xiàn)我們可以想象電子仍按古典物理所預(yù)期的不斷釋出能量，但同時(shí)也不斷自環(huán)境「零點(diǎn)能量海」中吸取相等的能量做為補(bǔ)償，兩者形成動(dòng)態(tài)平衡。
重力是長(zhǎng)距離的卡什米爾力
零點(diǎn)漲落理論也讓我們對(duì)重力有更深一層的看法。愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論中，對(duì)重力有詳細(xì)的描述，但我們對(duì)其基本性質(zhì)仍很不清楚。廣義相對(duì)論充其量只是描述，并沒(méi)有揭示其深一層的動(dòng)態(tài)意義。于是，想把重力和其它力（電磁力、強(qiáng)核力、弱核力）統(tǒng)一起來(lái)的企圖，和重力場(chǎng)量子化的努力都一再遭遇困難，而追根究底都是因?yàn)閷?duì)最基本的層次缺乏了解。為排除此一困難，理論學(xué)家們便訴諸于越來(lái)越復(fù)雜、越抽象的數(shù)學(xué)，如最近所發(fā)展出來(lái)的超重力理論和超弦理論等。
已故的蘇俄物理學(xué)家沙哈洛夫（A. Sakharov）則持完全不同的看法，他認(rèn)為重力或許根本不是一種基本作用力，而是一種次級(jí)力或僅是與其它非重力場(chǎng)相關(guān)的一種殘余效應(yīng)而已。重力可能是零點(diǎn)能量受物質(zhì)存在影響而改變所形成的。如果此一觀念正確，則重力可以是一種卡什米爾力。雖然沙哈洛夫沒(méi)有作更深一層的推導(dǎo)，但他也列出了一些重要的條件，比如導(dǎo)出用零點(diǎn)能量理論參數(shù)表示的重力常數(shù)G。
我曾經(jīng)仔細(xì)研究沙哈洛夫的重力理論并得到一些正面的結(jié)果。一個(gè)質(zhì)點(diǎn)沈浸在充塞宇宙的零點(diǎn)能量海中，會(huì)造成一種微弱而不規(guī)則的顫動(dòng)。當(dāng)有兩個(gè)以上的質(zhì)點(diǎn)存在時(shí)，它們不但受漲落的背景零點(diǎn)能量場(chǎng)的影響，同時(shí)也受其它質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生力場(chǎng)的影響。這些相互作用的總和便形成重力。按此重力可稱(chēng)得上是一種長(zhǎng)距離的卡什米爾力。
由于卡什米爾力的本質(zhì)為電磁作用，故此一形式的重力理論便自動(dòng)成為統(tǒng)一場(chǎng)論的一員。此一新理論最大的優(yōu)點(diǎn)在于：它能幫助我們了解重力基本作用的方式及特質(zhì)，包括重力為什么如此微弱；為什么只有正物質(zhì)而沒(méi)有反物質(zhì)的存在；又因?yàn)榱泓c(diǎn)能量無(wú)所不在，以致重力場(chǎng)無(wú)法遮蔽等等。而這一切正是已往的理論所無(wú)法解釋的。
零點(diǎn)能量的起源
至此，我們已說(shuō)明了原子基態(tài)軌道電子不輻射及重力場(chǎng)的問(wèn)題。接下來(lái)的問(wèn)題是，零點(diǎn)能量最初是從那里來(lái)的？這有兩派說(shuō)法，其一認(rèn)為零點(diǎn)能量不過(guò)是宇宙存在的部分邊界條件，比如說(shuō)是宇宙初生大霹靂后殘留至今的背景輻射。另一派則認(rèn)為，零點(diǎn)能量是由宇宙間所有帶電粒子的量子漲落，放出能量所形成的。
最近，我針對(duì)后者的可能性作一計(jì)算，我假設(shè)零點(diǎn)能量使宇宙間的質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生振動(dòng)，而所有宇宙間質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)釋出能量的總和，回過(guò)頭來(lái)又形成零點(diǎn)能量。兩者可形成自給自足的循環(huán)。
古典物理與量子物理的爭(zhēng)議
雖然零點(diǎn)能量理論是量子力學(xué)成熟期的產(chǎn)物，然而，紐約市立大學(xué)的博伊爾（T. Boyer）卻持有相反的看法。在1960年代末期，他開(kāi)始提出一個(gè)問(wèn)題：假如我們完全保留古典物理學(xué)，再加上一個(gè)隨機(jī)的零點(diǎn)能量漲落背景，而此背景條件可以假設(shè)最初由大霹靂產(chǎn)生，隨后以前述自我滿足式的循環(huán)生生不息的持續(xù)著，則我們可否由此全古典式的模式中導(dǎo)出量子理論來(lái)？
博伊爾從量子力學(xué)早期的幾個(gè)問(wèn)題開(kāi)始著手，諸如黑體輻射曲線、光電效應(yīng)等。結(jié)果，他那全古典式的方法，竟然將一些著名的量子力學(xué)的結(jié)果一一再現(xiàn)。這套方法便稱(chēng)作「隨機(jī)電動(dòng)力學(xué)」（stochastic electrodynamics, SED），有別于量子電動(dòng)力學(xué)（quantum electrodynamics, QED）。事實(shí)上，美國(guó)洛色拉莫國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的米洛尼（P. Milonni），在讀過(guò)博伊爾的理論后說(shuō)道，如果1900年代的物理學(xué)家走的是這條路的話，會(huì)比遵循蒲朗克的量子假說(shuō)來(lái)得舒服些。
到目前為止，用SED可以導(dǎo)出與QED相同結(jié)果的問(wèn)題還包括：簡(jiǎn)諧振元問(wèn)題，卡什米爾與凡得瓦力、真空中加速運(yùn)動(dòng)的熱效應(yīng)等。當(dāng)然，SED仍有它待克服的難題，比如量子力學(xué)中著名的薛丁格方程式，目前仍無(wú)法由SED理論獲得。然而，很多研究者滿懷信心認(rèn)為，此一問(wèn)題終將克服。屆時(shí)，雖然量子力學(xué)是否該被SED所取代，仍將是個(gè)爭(zhēng)論不休的問(wèn)題。但不管最后結(jié)果如何，SED因?yàn)橐M(jìn)零點(diǎn)漲落背景條件而獲致目前輝煌的成果，代表當(dāng)初量子力學(xué)寫(xiě)完最后一章的同時(shí)，已經(jīng)確定終將賦予真空中的漲落終無(wú)比榮耀的地位。
宇宙起源與零點(diǎn)漲落理論的應(yīng)用
現(xiàn)在剩下最大的一個(gè)問(wèn)題是，到底宇宙是從那來(lái)的？或者，以現(xiàn)代的術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，大霹靂是怎么引起的？真空中的量子漲落與此有什么關(guān)系嗎？紐約市立大學(xué)的泰倫（E. Tyron）在1973年主張，宇宙之誕生最初可能是由真空中一個(gè)大規(guī)模的擾動(dòng)所引起。這個(gè)概念后來(lái)由塔甫茲（Tufts）大學(xué)的維嵐京（A. Vilenkin）所引用，在其所著《膨脹中的宇宙》一書(shū)中有進(jìn)一步的闡釋。他說(shuō)，宇宙可能是經(jīng)由量子穿隧效應(yīng)，自表相為空無(wú)一物的虛無(wú)中，幻化出一切，即我們所稱(chēng)的宇宙。這樣的說(shuō)法反映出，物理學(xué)家至此已一再將問(wèn)題的解答，求諸于虛無(wú)與漲落。
對(duì)于零點(diǎn)漲落理論的心儀者而言，心里或許還存在一未解的疑問(wèn)，那就是如此偉大的理論究竟對(duì)現(xiàn)實(shí)世界，有無(wú)實(shí)用的價(jià)值？是否有可能自真空中抽取電磁能量？針對(duì)此一問(wèn)題的可能性，加州休斯研究實(shí)驗(yàn)室的佛維德（R. Forward）曾經(jīng)有過(guò)詳細(xì)的探討。
此外，在未來(lái)的工程界中，是否有可能會(huì)分化出一類(lèi)如李政道所稱(chēng)的「真空工程學(xué)」工程師？人類(lèi)面臨的能源危機(jī)是否可能經(jīng)由對(duì)于零點(diǎn)能量海的駕馭而得以解決？畢竟零點(diǎn)能量存在的基本形式是，伴隨著高度隨機(jī)性且趨向于互相抵消。因此，如果我們能夠找到一個(gè)辦法可以將零點(diǎn)漲落的渾沌性整合成一致性，則基于零點(diǎn)漲落高能量?jī)?nèi)涵的特質(zhì)，我們必定能自其中獲致巨大的效益。
由于目前對(duì)于零點(diǎn)漲落所知仍然相當(dāng)有限，我們不得不回歸至蘇俄自然科學(xué)史學(xué)者波朵尼（R. Poldolny）的名言：「草率否定一項(xiàng)可能實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用，其結(jié)果將與貿(mào)然保證其成功一樣的不負(fù)責(zé)任?！咕烤谷祟?lèi)是否能利用這把上帝的火炬──空間中的量子漲落，只有等待時(shí)間來(lái)解答了。
真空零點(diǎn)能
量子理論預(yù)示，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(chēng)為真空零點(diǎn)能（Zero point energy）。對(duì)卡西米爾（Casimir）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)了這一物理現(xiàn)象。
現(xiàn)代科學(xué)認(rèn)為真空并不意味著一無(wú)所有，真空是由正電子和負(fù)電子旋轉(zhuǎn)波包組成的系統(tǒng)，這種過(guò)程的動(dòng)態(tài)能量可以作為工業(yè)能源、未來(lái)星際航行能源以及家庭生活等諸多領(lǐng)域的能源。量子真空是一個(gè)非?；钴S的空間，它充滿時(shí)隱時(shí)現(xiàn)的粒子和在零點(diǎn)線值上漲落的能量場(chǎng)。而與這種現(xiàn)象伴生的能量，被稱(chēng)為零點(diǎn)能，也就是說(shuō)，即使在絕對(duì)零度，這種真空活性仍然保持著。早在1891年，科學(xué)家忒斯拉（Nikola Tesla）在一次演講中就提到：幾個(gè)世紀(jì)之后，也許我們可以從宇宙中的任意一點(diǎn)提取能量來(lái)驅(qū)動(dòng)我們的機(jī)械。用今天的科學(xué)語(yǔ)言解釋?zhuān)@種能源就是真空零點(diǎn)能，或稱(chēng)空間能、自由能等。
關(guān)于零點(diǎn)能的設(shè)想來(lái)自量子力學(xué)的一個(gè)著名概念: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(lái)，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。J. Wheeler估算出真空的能量密度可高達(dá)1095 g/cm^3。
1948年，荷蘭物理學(xué)家亨德里克·卡西米爾提出了一項(xiàng)檢測(cè)這種能量存在的方案。從理論上看，真空能量以粒子的形態(tài)出現(xiàn)，并不斷以微小的規(guī)模形成和消失。在正常情況下。真空中充滿著幾乎各種波長(zhǎng)的粒子，但卡西米爾認(rèn)為，如果使兩個(gè)不帶電的金屬薄盤(pán)緊緊靠在一起，較長(zhǎng)的波長(zhǎng)就會(huì)被排除出去。接著，金屬盤(pán)外的其它波就會(huì)產(chǎn)生一種往往使它們相互聚攏的力，金屬盤(pán)越靠近，兩者之間的吸引力就越強(qiáng)。1996 年，物理學(xué)家首次對(duì)這種所謂的卡西米爾效應(yīng)進(jìn)行了測(cè)定。華盛頓大學(xué)Lamoreaux在他的學(xué)生Dev Sen協(xié)助下，對(duì)卡西米爾效應(yīng)進(jìn)行了精確的測(cè)量，該測(cè)量結(jié)果與卡西米爾對(duì)這一特殊板間距及幾何構(gòu)形所預(yù)測(cè)的力相差不超過(guò)5%。Lamoreaux在他的實(shí)驗(yàn)中，采用鍍金石英表面作為他的金屬板。另外一塊板固定在一個(gè)靈敏扭擺的端部。如果該板向著另外一塊板移動(dòng)，則擺就會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)。一臺(tái)激光器可以以0.01微米的精度測(cè)量扭擺的扭轉(zhuǎn)。向一組壓電組件施加的一股電流使卡西米爾板移動(dòng)；而另一電子反饋系統(tǒng)則抵消這一移動(dòng)，使扭擺保持靜止。零點(diǎn)能效應(yīng)就表現(xiàn)為保持?jǐn)[的位置所需的電流量的變化。Mohideen等人在加州理工學(xué)院作的實(shí)驗(yàn)中，在0.1到0.9μm的范圍內(nèi)，用原子力顯微鏡對(duì)卡西米爾力進(jìn)行的測(cè)量結(jié)果，與理論值相差不到1%。
如果零點(diǎn)能可以提取，無(wú)疑將是人類(lèi)所能夠利用的最佳能源了。它是潔凈，廉價(jià)的能源，是大自然給予人類(lèi)的“免費(fèi)的午餐”。宇宙中所有的物質(zhì)都來(lái)源于零點(diǎn)電磁漲落能，我們身上的每一個(gè)物質(zhì)粒子不停地與真空零點(diǎn)能發(fā)生能量交換，也就是，沒(méi)有任何一個(gè)物理體系稱(chēng)得上是孤立體系的。根據(jù)物理真空的性質(zhì)，我們可以從空間任何一點(diǎn)提取零點(diǎn)能，并轉(zhuǎn)換成我們所需要的能量形式。原子中電子繞核轉(zhuǎn)；太陽(yáng)系中，行星繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)，幾十億年永不停息；超導(dǎo)和超流現(xiàn)象，這些都是大自然給我們的關(guān)于能源的啟示。
卡西米爾效應(yīng)
簡(jiǎn)單地說(shuō)，卡西米爾效應(yīng)(Casimir effect)就是在真空中兩片平行的平坦金屬板之間的吸引壓力。這種壓力是由平板之間空間中的虛粒子(virtual particle)的數(shù)目比正常數(shù)目減小造成的。
大多數(shù)人認(rèn)為，真空是空蕩蕩的。但是，根據(jù)量子電動(dòng)力學(xué)（一門(mén)在非常小的規(guī)模上描述宇宙行為的理論），沒(méi)有比這種觀點(diǎn)更加荒謬的了。實(shí)際上，真空中到處充滿著稱(chēng)作“零點(diǎn)能”的電磁能，這正是麥克萊希望加以利用的能量。“零點(diǎn)能”中的“零”指的是，如果把宇宙溫度降至絕對(duì)零度（宇宙可能的最低能態(tài)），部分能量就可能保留下來(lái)。實(shí)際上，這種能量是相當(dāng)多的。物理學(xué)家對(duì)究竟有多少能量仍存在分歧，但麥克萊已經(jīng)計(jì)算出，大小相當(dāng)于一個(gè)質(zhì)子的真空區(qū)所含的能量可能與整個(gè)宇宙中所有物質(zhì)所含的能量一樣多。
1948年，荷蘭物理學(xué)家亨德里克·卡西米爾(Hendrik Casimir, 1909-2000)提出了一項(xiàng)檢測(cè)這種能量存在的方案。從理論上看，真空能量以粒子的形態(tài)出現(xiàn)，并不斷以微小的規(guī)模形成和消失。在正常情況下。真空中充滿著幾乎各種波長(zhǎng)的粒子，但卡西米爾認(rèn)為，如果使兩個(gè)不帶電的金屬薄盤(pán)緊緊靠在一起，較長(zhǎng)的波長(zhǎng)就會(huì)被排除出去。接著，金屬盤(pán)外的其它波就會(huì)產(chǎn)生一種往往使它們相互聚攏的力，金屬盤(pán)越靠近，兩者之間的吸引力就越強(qiáng)，這種現(xiàn)象就是所謂的卡西米爾效應(yīng)。1996 年，物理學(xué)家首次對(duì)它進(jìn)行了測(cè)定，實(shí)際測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果十分溫和。
1997年,新一代測(cè)量工作開(kāi)始了。當(dāng)時(shí)在美國(guó)西雅圖華盛頓大學(xué)工作的史蒂夫·拉穆?tīng)柨怂?測(cè)量了鍍有銅和金的直徑為4厘米的球形透鏡與大約215厘米見(jiàn)方的光學(xué)石英平板之間的卡西米爾力。透鏡和平板被聯(lián)接在一個(gè)扭擺(一根懸掛在鎢絲上的水平扭桿)之上,扭擺安置在一個(gè)處于真空狀態(tài)下的圓筒形容器內(nèi)。拉穆?tīng)柨怂棺屚哥R與平板相互靠近,當(dāng)它們的間距在幾微米以?xún)?nèi)時(shí),卡西米爾力把兩個(gè)物體拉到一起,進(jìn)而使扭擺扭轉(zhuǎn)。他發(fā)現(xiàn)他的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與理論相比精度為5%。在拉穆?tīng)柨怂沟膶?shí)驗(yàn)突破的鼓舞下,許多其它科研人員對(duì)卡西米爾效應(yīng)相繼開(kāi)展了新的實(shí)驗(yàn)測(cè)量工作。例如,美國(guó)加利福尼亞大學(xué)河濱分校的烏瑪·莫海登(UmarMohideen)及其同事利用卡西米爾力把一個(gè)直徑為200微米的聚苯乙烯球吸附到了原子力顯微鏡的探針上。在一系列實(shí)驗(yàn)中,他們把鍍有鋁和金的球體挪到距一個(gè)也鍍有鋁和金的平面圓盤(pán)011微米之內(nèi)的地方,在此過(guò)程中球和圓盤(pán)之間所產(chǎn)生的吸引力通過(guò)激光束的偏斜得到監(jiān)控。上述研究人員對(duì)卡西米爾力的測(cè)量結(jié)果與理論期待值的偏差在1%以?xún)?nèi)。
斯德哥爾摩瑞典皇家工學(xué)院的托瑪斯·埃德斯(ThomasEderth)也利用原子力顯微鏡研究了卡西米爾效應(yīng)。他測(cè)量了兩個(gè)相互成90°放置、相距20納米的鍍金圓柱之間的卡西米爾力,其實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論相比,相差不到1%。
然而,在最近的實(shí)驗(yàn)中很少有人采用原始組態(tài)———兩個(gè)平行平面鏡來(lái)測(cè)量卡西米爾力,原因是這種組態(tài)要求實(shí)驗(yàn)中兩個(gè)平面鏡必須保持絕對(duì)平行,而這是很困難的。讓一個(gè)球靠近一個(gè)鏡面是很容易的,因?yàn)檫@兩個(gè)物體之間的距離只不過(guò)是兩個(gè)物體之間最近的點(diǎn)之間的距離。利用球和平面鏡測(cè)量卡西米爾效應(yīng)的唯一缺點(diǎn)是,此時(shí)兩物體之間的卡西米爾力的計(jì)算不如兩個(gè)平面鏡之間的卡西米爾力計(jì)算得精確。尤其是不得不假設(shè)每一個(gè)點(diǎn)對(duì)卡西米爾力的貢獻(xiàn)是相互獨(dú)立的,而這只有當(dāng)球的半徑遠(yuǎn)大于球和平板之間的距離時(shí)才成立。
最近僅有的利用卡西米爾的原始平面鏡裝置的實(shí)驗(yàn)是由意大利帕多瓦大學(xué)的吉安尼·卡魯哥、羅伯托·奧諾弗里奧(RobertoOnofrio)及其合作者們開(kāi)展的。他們測(cè)量了間距為015～3微米的鍍鉻硬板與一個(gè)由同樣材料制成的懸梁表面之間的卡西米爾力。研究者發(fā)現(xiàn),測(cè)得的卡西米爾力與理論期待值的相對(duì)偏差在15%以?xún)?nèi),實(shí)驗(yàn)與理論相差較大表明實(shí)驗(yàn)中存在著技術(shù)難點(diǎn),改進(jìn)的計(jì)算結(jié)果卡西米爾效應(yīng)研究中的難點(diǎn)在于實(shí)際的平面鏡與卡西米爾最初考慮的理想的光滑的平面鏡不同,它們可以很好地甚至是接近理想地反射某些頻率的電磁波,但對(duì)其它頻率的電磁波反射得較差。此外,在很高的頻率下,所有鏡子都將變成透明體。在計(jì)算卡西米爾力時(shí),必須要考慮鏡面的反射系數(shù)與頻率的函數(shù)關(guān)系,20世紀(jì)50年代中期伊津尼·利夫謝茨(Evgeny Lifshitz)最先著手研究了這一問(wèn)題,后來(lái)朱利安·施溫格(JulianSchwinger)及其它許多科研人員也對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了研究。
雖然人們目前對(duì)卡西米爾力與溫度的關(guān)系尚未開(kāi)展詳細(xì)的研究,但在計(jì)算兩個(gè)間距大于1微米的物體之間的卡西米爾力時(shí)必須要考慮溫度的影響。包括伊津尼·利夫謝茨和朱利安·施溫格在內(nèi)的許多科學(xué)家早在20世紀(jì)50年代就針對(duì)理想反射鏡的情況探討了這一問(wèn)題。最近,莫海登及其研究組利用畸變表面證明兩個(gè)表面之間可以產(chǎn)生平行于而不是垂直于鏡面的橫向卡西米爾力。在實(shí)驗(yàn)中,他們特制了兩塊表面為正弦波形狀的波紋鏡面,然后讓一塊鏡面相對(duì)另一塊鏡面平行移動(dòng),以使該鏡面的波峰依次經(jīng)過(guò)另一個(gè)鏡面的波峰和波谷。研究者發(fā)現(xiàn),兩個(gè)鏡面間的橫向卡西米爾力隨著兩個(gè)鏡面波紋的相位差而按正弦規(guī)律變化。上述橫向卡西米爾力的大小大約是相同間距的兩個(gè)平面鏡之間的普通卡西米爾力的十分之一。橫向卡西米爾力同樣起源于真空漲落。
美國(guó)麻省理工學(xué)院的梅倫·卡達(dá)(MehranKadar)及其同事給出了兩個(gè)全反射波紋鏡面之間的卡西米爾力的一個(gè)理論計(jì)算結(jié)果。同時(shí),莫海登及其合作者們估算了兩個(gè)金屬鏡面之間的橫向卡西米爾力,并且發(fā)現(xiàn)估算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合得很好。橫向卡西米爾力可以對(duì)微型機(jī)械產(chǎn)生另一種重要影響.
新物理學(xué)?
卡西米爾力還可以在納米和微米尺度之間的精密力學(xué)測(cè)量中發(fā)揮作用。人們通過(guò)對(duì)行星運(yùn)動(dòng)的觀測(cè),已經(jīng)在宏觀距離上對(duì)牛頓的平方反比引力定律做出了許多次的驗(yàn)證。但是,迄今為止尚無(wú)人設(shè)法以任何精度在微米尺度上對(duì)牛頓引力定律進(jìn)行驗(yàn)證。在微米尺度上檢驗(yàn)牛頓引力定律具有重要意義,因?yàn)樵S多試圖統(tǒng)一自然界中四種基本作用力的理論模型都預(yù)言存在著以前未被人們發(fā)現(xiàn)的將在該尺度上發(fā)揮作用的力。實(shí)驗(yàn)值與理論值的任何偏差都有可能暗示著新力的存在。但是,即使二者相等,也不能排除所有的力———測(cè)量結(jié)果將對(duì)現(xiàn)有的理論產(chǎn)生新的限制。例如,華盛頓的詹斯·岡拉克(JensGundlach)及其同事已經(jīng)利用扭擺測(cè)定了兩個(gè)間距由10毫米減小到220微米的受試質(zhì)量之間的引力。他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)牛頓引力在上述范圍內(nèi)是有效的,但在更短的距離之內(nèi),卡西米爾力將處于主導(dǎo)地位。與此同時(shí),美國(guó)科羅拉多大學(xué)的喬舒亞·朗(JoshuaLong)及其同事,以及普杜大學(xué)的伊弗萊姆·菲施巴赫(Ephraim Fischbach)及其合作者,正試圖通過(guò)仔細(xì)選擇實(shí)驗(yàn)中所用的材料,消除亞毫米距離引力實(shí)驗(yàn)中卡西米爾效應(yīng)的影響。
盡管該領(lǐng)域的研究人員做出了充分的努力,但在卡西米爾效應(yīng)方面仍然遺留下許多懸而未決的問(wèn)題。尤其是單一的中空球殼內(nèi)的卡西米爾力這一看上去似乎天真的問(wèn)題,仍然是人們熱烈爭(zhēng)論的焦點(diǎn),人們甚至還沒(méi)有弄清楚該力究竟是一種吸引力還是排斥力?？ㄎ髅谞栐缭?953年探尋電子的穩(wěn)定模型時(shí)就考慮了這一問(wèn)題。半個(gè)世紀(jì)過(guò)去了,卡西米爾力的秘密可能需要我們?cè)趯?lái)經(jīng)過(guò)許多年的不斷思考,才能最終被完全揭開(kāi)。
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