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“无中生有”的量子真空涨落能被观测到

导读: 紧密接触的两个原子也会改变周围的真空。如果其中一个原子释放出一个虚拟光子,后者几乎会立即被另一个原子所吸收,然而在任何比光子存在瞬间更大规模的时间尺度上,什么都没有发生——全部能量守恒。

  真空涨落可能是量子力学里最反直觉的现象之一。近日以色列魏茨曼科学研究所和维也纳科技大学的理论学家提出了一种放大这些力的新方法。真空并非人们所想象的空无一物,事实上真空是由不同虚实粒子不断出现和消失组成的集合,这种现象被称为真空涨落。一般来说,这类极度短暂的粒子完全不被注意到,但在某些情况下真空力可能会产生可被测量到的效应。由以色列魏茨曼科学研究所和维也纳科技大学的研究人员组成的科研小组目前提出了一种将真空力放大几个等级的新方法,这主要是通过使用一种连通虚拟光子的传输线来实现。

  短暂的“借用”能量

  如果你将车停在某处随后它消失了,这很可能不是因为真空涨落。物体并不会消失或重新出现,因为这会违反能量守恒定律。然而,在量子力学的领域,事情就有点复杂了。“由于不确定性原理,虚粒子可以短暂的出现,”维也纳科技大学的伊戈尔·马泽茨这样说道。“能量越高,它们再次消失的速度越快。”

  但是这样的虚粒子也可以有可以测量到的集体效应。在非常短暂的距离,真空波动可能会导致原子或分子之间产生一种吸引力——范德华力。即使是壁虎在平面上攀爬的能力也部分归结于真空涨落和虚粒子。1948年荷兰理论物理学家亨德里克·卡西米尔提出真空里两个平行镜子将因它们影响周围真空的方式而互相吸引,这种效应被称为卡西米尔效应。

  原子和光子

  紧密接触的两个原子也会改变周围的真空。如果其中一个原子释放出一个虚拟光子,后者几乎会立即被另一个原子所吸收,然而在任何比光子存在瞬间更大规模的时间尺度上,什么都没有发生——全部能量守恒。但事实上虚粒子或可能彼此互换的事实改变了原子周围的真空,这将导致力的产生。

  “一般来说,这样的力很难测量,”马泽茨说道。“这是因为光子可能会被释放到任何方向,第二个原子吸收到这个光子的概率非常低。”但是如果虚粒子能够寻找到具体的方向呢?以法莲·沙蒙、以色列魏茨曼科学研究所的葛森·库里斯基和马泽茨计算出当原子被放在一个电传输线,例如同轴电缆或者共平面形波导(一种用于腔量子电动力学实验作为开放传输线的设备)附近,且温度被冷却到低温时,原子之间的真空力所发生的改变。“在那种情况下,波动被有效的限制到一个维度,” 马泽茨说道。虚粒子不得不朝另一个原子的方向移动。

  因此原子之间波动调制的吸引力比自由空间里的强了几个数量级,一般来说,这种力会随着原子之间距离的增加而急剧减少。研究人员相信他们所提出的将真空涨落强度增强的方法对于理解卡西米尔效应和范德华力将有着深远的启示意义,它甚至可能在量子信息处理和其它新出现的量子技术里有着实际应用。

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