「無中生有」的量子真空漲落或能被觀測到(圖）

2014年07月25日 07:25
來源：鳳凰科技

鳳凰網科技訊 北京時間7月25日消息，科學日報報道，真空漲落可能是量子力學里最反直覺的現象之一。近日以色列魏茨曼科學研究所和維也納科技大學的理論學家提出了一种放大這些力的新方法。真空並非人們所想象的空無一物，事實上真空是由不同虛實粒子不斷出現和消失組成的集合，這種現象被稱為真空漲落。一般來說，這類極度短暫的粒子完全不被注意到，但在某些情況下真空力可能會產生可被測量到的效應。由以色列魏茨曼科學研究所和維也納科技大學的研究人員組成的科研小組目前提出了一種將真空力放大幾個等級的新方法，這主要是通過使用一種連通虛擬光子的傳輸線來實現。



兩個原子互換虛光子周圍的真空並非預想的空洞無一物。

短暫的「借用」能量

如果你將車停在某處隨後它消失了，這很可能不是因為真空漲落。物體並不會消失或重新出現，因為這會違反能量守恆定律。然而，在量子力學的領域，事情就有點複雜了。「由於不確定性原理，虛粒子可以短暫的出現，」維也納科技大學的伊戈爾·馬澤茨（Igor Mazets）這樣說道。「能量越高，它們再次消失的速度越快。」

但是這樣的虛粒子也可以有可以測量到的集體效應。在非常短暫的距離，真空波動可能會導致原子或分子之間產生一種吸引力——范德華力。即使是壁虎在平面上攀爬的能力也部分歸結於真空漲落和虛粒子。1948年荷蘭理論物理學家亨德里克·卡西米爾(Hendrik Casimir)提出真空里兩個平行鏡子將因它們影響周圍真空的方式而互相吸引，這種效應被稱為卡西米爾效應。

原子和光子

緊密接觸的兩個原子也會改變周圍的真空。如果其中一個原子釋放出一個虛擬光子，後者幾乎會立即被另一個原子所吸收，然而在任何比光子存在瞬間更大規模的時間尺度上，什麼都沒有發生——全部能量守恆。但事實上虛粒子或可能彼此互換的事實改變了原子周圍的真空，這將導致力的產生。

「一般來說，這樣的力很難測量，」馬澤茨說道。「這是因為光子可能會被釋放到任何方向，第二個原子吸收到這個光子的概率非常低。」但是如果虛粒子能夠尋找到具體的方向呢？以法蓮·沙蒙（Ephraim Shahmoon）、以色列魏茨曼科學研究所的葛森·庫里斯基（Gershon Kurizki）和馬澤茨計算出當原子被放在一個電傳輸線，例如同軸電纜或者共平面形波導（一種用於腔量子電動力學實驗作為開放傳輸線的設備）附近，且溫度被冷卻到低溫時，原子之間的真空力所發生的改變。「在那種情況下，波動被有效的限制到一個維度，」 馬澤茨說道。虛粒子不得不朝另一個原子的方向移動。

因此原子之間波動調製的吸引力比自由空間里的強了幾個數量級，一般來說，這種力會隨著原子之間距離的增加而急劇減少。研究人員相信他們所提出的將真空漲落強度增強的方法對於理解卡西米爾效應和范德華力將有著深遠的啟示意義，它甚至可能在量子信息處理和其它新出現的量子技術里有著實際應用。（編譯/嚴炎劉星