新浪科技综合■哈利·波特的魔法背后的物理原理新浪科技综合2020-08-25 12:04:570阅( 二 )

场的激发和退激发——真空涨落
当历史的长河进入20 世纪中叶，电子与电磁场相互作用的量子理论——量子电动力学诞生了。它是一种量子场论，它说，电子场的激发和退激发，对应着电子的产生和湮灭，而电磁场的激发和退激发，对应着光子的产生和湮灭。
拿费曼图给大家看一下，没听说费曼图也没关系，因为费曼发明出来就是为了让大家直观地看懂呀！左图中，左边画的电子和正电子通过碰撞，发射出中间画的那个虚光子，然后被右边画的电子和正电子所吸收，这样，两边的粒子对通过交换虚光子发生了相互作用。此时初态和末态，都是可以被直接观测到的真实粒子，而所有中间过程的粒子，存在的时间很短，被称为虚粒子。

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图7/15图（a）简单的费曼图（b）量子电动力学的真空极化右图中，是一个更高阶的过程。电子发射出的虚光子可以变成一对虚的正负电子，就是那个圈圈，然后这对虚的正负电子又湮灭重新变成一个虚光子，这个虚过程被称为真空极化。
这样我们是不是理解了，看似电子在真空中运动，实质上真空中存在着大量的虚的光子、正负电子对。也就是在费曼图中的中间部分的那些粒子。这被称为“真空涨落” 。
别催了现在就证实真空涨落
【新浪科技综合■哈利·波特的魔法背后的物理原理新浪科技综合2020-08-25 12:04:570阅】电子能级微小变化——兰姆位移
同样，再完美的理论总是要被实验证实才被接受。话说，真空涨落将引起电子能量的微小改变，不过仅在MHz量级（微波段）。于是美国物理学家兰姆，利用微波技术，测量了氢原子中电子最低的两个激发态能级，发现的确是啊，真空涨落将引起电子能级的微小变化，这个微小变化被称为兰姆位移。记好了，很出名的~
真空涨落屏蔽电子自旋——电子反常磁矩
还有一个实验，同样大名鼎鼎，那就是电子的反常磁矩。因为真空涨落还将屏蔽电子自旋。美国物理学家库什就利用磁共振技术，测量了电子磁矩，发现真空涨落确实将引起电子磁矩偏离了简单的玻尔磁子，这被称为反常磁矩。
这两个实验都很成功，与理论值在相当高的精度上一致！

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图8/151973年12月，英国《自然》杂志以“专题文章”的形式刊出一篇题目为《宇宙是真空涨落的产物吗？》的文章：浩瀚无边的宇宙，起源于量子真空涨落。第一次以科学严肃的语言描述了宇宙产生于看似虚无的真空。
那是一片波动不停的能量之海~当能量达到波峰，能量转化为一对对正反基本粒子；当能量达到波谷，一对对正反基本粒子又相互湮灭，转化为能量。它们紧密地填满了每个物体的空隙，却几乎不与物体发生相互作用。
但这一切都是在普朗克尺度下的空间，而宏观时空是由普朗克尺度下最小的时空单元编织而成。在宏观下的我们，能不能亲眼看到微观的量子效应呢？
吼吼，也可以！惊不惊喜，意不意外？让我们做个有趣的实验——卡西米尔效应！
真空涨落体现在宏观上——卡西米尔效应
这是由荷兰物理学家卡西米尔提出的。下面我们来具体想象这样个小实验：
这是一对金属板，平行、近距离放置在真空中。

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图9/15这两块金属板会发生什么现象？
大家会觉得，如果这两块金属是带电的，那么两块金属板之间会产生电磁力：如果带同种电性，那么两块金属板之间会产生排斥力；如果带不同电性，那么会产生吸引力；如果不带电，那……不存在任何力？
但是！由于两块金属板之间的距离很近（例如，一个原子尺度的100倍），处于基态的场，具有“量子涨落” ，真空零点能改变，两个金属板会出现吸引力！
这就是卡西米尔效应。
电磁场可以量子化为各种能级的谐振子。那么两块平板之间的真空，也就是基态，实质上充满大量谐振子。通过计算可以得到两平板之间距离的真空能量，这是卡西米尔能量。而两平板之间的相互作用力，也就是卡西米尔力，可以看成是卡西米尔能量对于平板之间距离变化的导数。

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图10/15卡西米尔效应的信号是很微弱的。对于实验是一个巨大的挑战。实验物理学家采用高精度扭摆、原子力显微镜等手段来测量卡西米尔力，取得了一系列的进展。 2011 年，瑞典的研究组将超导微波腔的两个镜面作为两个平板，利用微波光子的测量技术，精密测量了其中的卡西米尔效应。虽然卡西米尔效应非常微小，但却对于宏观物理学与微观量子力学的统一，有非常重要的意义呢。
小插曲：逆卡西米尔效应
不过，事情也没那么顺利。又有两个大佬——诺贝尔物理学奖得主维尔切克与斯德哥尔摩大学的蒋庆东发现：他们就是改变了一下实验材料，两块金属板之间的吸引力竟然消失了，甚至变成了排斥力！

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