12、卡西米尔效应(Casimir effect)
物理学著名效应
物理学著名效应孤岛效应在电子电路中，孤岛效应是指在电路的某个区域有电流通路，但没有电流流动的现象。
在通信网络中，无线移动基站的覆盖范围可能存在。
在串联电容器的电路中，只有连接到外部电路的两个极板（注：不是同一电容器的极板）有电流（电荷交换），其他极板的总电荷不变，因此称为孤岛。
霍尔效应定义1：材料中任何一点产生的感应电场强度与电流密度和磁感应强度的矢量积成正比的现象。
定义2：通过电流的半导体在垂直电流方向的磁场作用下，在与电流和磁场垂直的方向上形成电荷积累和出现电势差的现象。
当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。
这个电势差也被叫做霍尔电势差。
霍尔效应在1879年被e.h.霍尔发现，它定义了磁场和感应电压之间的关系，这种效应和传统的感应效果完全不同。
当电流通过一个位于磁场中的导体的时候，磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的的作用力，从而在导体的两端产生电压差。
在导体上施加垂直于电流方向的磁场，将使导体中的电子和空穴通过不同方向的洛伦兹力以不同方向聚集，并在聚集的电子和空穴之间产生电场。
该电场将使后面的电子空穴接收电力，并平衡磁场产生的洛伦兹力，从而使后面的电子空穴能够顺利通过在导体上外加与电流方向垂直的磁场，会使得导线中的电子与电洞受到不同方向的洛伦兹力而往不同方向上聚集，在聚集起来的电子与电洞之间会产生电场，此一电场将会使后来的电子电洞受到电力作用而平衡掉磁场造成的洛伦兹力，使得后来的电子电洞能顺利通过不会偏移，此称为霍尔效应。
而产生的内建电压称为霍尔电按邻近效应定义：由于相邻导体中电流的影响，导体中电流密度分布不均匀的现象。
邻近效应――当高频电流在两导体中彼此反向流动或在一个往复导体中流动时，电流会集中于导体邻近侧流动的一种特殊的物理现象。
当相邻导线流过电流时，将产生可变磁场以形成邻近效应。
如果绕组层之间发生邻近效应，其危害很大。
卡西米尔效应
物理现象
01 概论
03 计算 05 理论特点
目录
02 真空能量 04 原理 06 研究进展
卡西米尔效应（英语：Casimir effect）是由荷兰物理学家亨德里克·卡西米尔（Hendrik Casimir）于 1948年提出的一种现象，此效应随后被侦测到，并以卡西米尔为名以纪念他。其根据量子场论的“真空不空”观 念——即使没有物质存在的真空仍有能量涨落，而提出此效应：真空中两片中性（不带电）的金属板会出现吸力； 这在经典理论中是不会出现的现象。这种效应只有在两物体的距离非常之小时才可以被检测到。例如，在亚微米 尺度上，该效应导致的吸引力成为中性导体之间主要作用力。事实上在10纳米间隙上（大概是一个原子尺度的 100倍），卡西米尔效应能产生1个大气压的压力（101.3千帕）。一对中性原子之间的范德瓦耳斯力是一种类似 的效应。
概论
卡西米尔效应在理解上，可以看为金属导体或介电材料的存在改变了真空二次量子化后电磁场能量的期望值。 这个值与导体和介电材料的形状及位置相关，因此卡西米尔效应表现就成了与这些属性相关的力。
真空能量
卡西米尔效应是量子场论的自然结果；量子场论陈述了所有各式各样的基本场—例如电磁场—必须在空间中 每个点且处处被量子化。采单纯的观点来说，物理场可以想作是充满空间的振动球，之间以弹簧相连接。场的强 度可以看作是球偏离其平衡位置的位移。场的振动可以传播，并由对应于此特殊场的适当波方程所主导。量子场 论的二次量子化程序要求球与弹簧的组合是呈现量子化的，也就是说场强度在空间中每一点被量子化。正则式地 （Canonically）来说，空间中每点的场是个谐振子，量子化则成了每点有个量子谐振子。场的激发则对应到粒 子物理学中的基本粒子。然而，这样的图像会显示出：即使是真空也有极其复杂的结构。所有量子场论的计算都 须与这样的真空模型有所关联。
卡西米尔力的计算
卡西米尔力的计算
卡西米尔力（Casimir force）是指在真空中放置两块平行金属板时，由于真空中的量子涨落所产生的吸引力。
这种力的计算基于量子力学和电磁学的基本原理。
根据量子力学，真空中的涨落可以产生虚粒子对，这些虚粒子对会短暂地产生并立即湮灭。
当金属板放置在真空中时，金属板的边界条件会改变虚粒子对的产生和湮灭，导致金属板之间的能量和压力发生变化。
卡西米尔力的计算公式为：F(a)=-\frac{\partial}{\partial a} E_{tot}(a)。
其中，E_{tot}(a)是金属板之间的总能量，a是金属板之间的距离。
在计算过程中，需要考虑金属板的边界条件、真空的性质以及量子涨落的影响。
在实际计算中，通常需要考虑金属板的电导率、磁导率以及真空中的光速等因素。
同时，由于量子涨落的存在，计算结果通常是一个积分或者求和的形式，需要使用适当的数学方法进行计算。
卡西米尔效应应用
卡西米尔效应应用卡西米尔效应是指两个平行金属板之间存在微小间隔时，由于真空中的虚拟粒子对的存在，会产生吸引力，称为卡西米尔效应。
这个效应初次出现在1948年，由荷兰理论物理学家Hendrik B. G. Casimir发现，至此，卡西米尔效应一度被认为是一个纯粹的理论现象。
然而，近些年来，随着材料科学的发展和制备技术的提高，卡西米尔效应被广泛应用于实际设备和工程中，下面分点分析一些卡西米尔效应的应用。
1.微纳米机械系统微纳米机械系统是指尺寸在微米和纳米级别的设备。
在这些设备中，卡西米尔效应可以用作制动器和传感器。
例如，在微型机械终点处放置平行金属板对，留下合适宽度的微米间隔，接通电源，可以用卡西米尔效应作为制动器，使装置停止运动。
2.纳米技术卡西米尔效应在纳米技术领域中可以用于制造纳米薄膜。
在纳米薄膜生产过程中，利用微米间隔和卡西米尔效应，可以控制膜的厚度和材料质量。
此外，卡西米尔效应可以通过具有特殊结构的材料来调控等离子体频率和色散属性，为纳米光子学和光量子计算提供了基础。
3.量子力学卡西米尔效应在量子力学中的应用最为明显。
人们常常会把卡西米尔效应定义为虚拟粒子对的吸引力。
“虚拟粒子对”是指自由空间中没有实际粒子，但由于能量守恒原理而被认为存在的粒子。
但是，这种现象仍然可以用量子力学理论进行解释。
4.太阳能电池在太阳能电池中，卡西米尔效应可以作为太阳能电池组件之间的隔离层。
这可以提高太阳能电池的发电效率，因为卡西米尔力减少了电池组件之间的电磁干扰。
总之，卡西米尔效应在各个领域的应用越来越广泛，值得我们持续关注和研究。
卡西米力及卡西米尔效应(The Casimir Effect)
卡西米尔效应（The Casimir Effect）是量子场论的一个重要结果。
在量子力学创建之后，人们理解了由于海森伯不确定性原理（The Heisenberg Uncertainty Principle），真空不是空的，而是充满了量子涨落（Quantum Fluctuation）。
量子涨落带来非零的真空能量，物理上称之为零点能（Zero Point Energy）。
卡西米尔效应正是零点能存在的一个直接结果。
如果去计算真空的零点能，由于不确定性原理，所有频率的量子场涨落模都需要考虑，零点能形如：E≌(1/2)∫dω hω. 由于没有频率的截断，这个计算显然会带来无穷大的零点能，这正是量子场论紫外发散的体现。
1948年，荷兰物理学家 Hendrik Casimir 有了一个绝妙的想法：如果我们去扰动真空（Disturb the Vacuum）会怎么样？虽然真空能是无穷大，可是会不会在扰动真空之后，扣除掉原先的真空能，会得出一个有限大小的能量呢？这是一个极具物理趣味的想法。
因为，物理体系是需要被测量的。
在一个体系中引入外加可控约束条件，研究体系对该条件的响应，正是物理的研究方法。
并且，我们知道，除了引力之外，所有其他的物理理论中能量只具有相对意义。
Casimir于是在真空中引入了两个平行的中性理想导电金属平板，要求平板是无穷大和无穷薄的。
经过数学计算，Casimir发现扣除掉原先的真空能后，约束的两平板真空能量是一个随着板间距离变化的有限能量，如果计算该变化率，可以得到两板之间的一个吸引力，著名的卡西米尔力（The Casimir Force）公式如下：(1)注意，由于字母录入限制，这里的h=h\bar=h/(2\pi)。
a是板间距离。
这是两平板之间单位面积的力量大小，又称为卡西米尔压（The Casimir Pressure）。
从卡西米尔力的公式可以知道：1. 由于h的存在，这个力在经典电动力学是不存在的（两个中性导体板之间没有经典力），卡西米尔力是一个纯粹的量子效应。
卡西米尔效应__波粒二象性
卡西米尔效应__波粒二象性光和其他物质粒子波粒二象性背后的作用机制凡伟摘要：光的粒子和波的争论是一个从牛顿时代就遗留到如今的困惑,至今没有人能解释为什么光以及其他物质粒子为什么会具有波粒二象性，更没有谁能用其中的一种性质成功统一另一种性质，毫不疑问，波粒二象性需要被解释.通过对介质水波与光波衍射图像实验数据的对比定量分析，研究证明，光是一种粒子，光粒子束在传播过程中与游离的光粒子发生相互作用而引发衍射，形成粒子衍射波，从而就解释光粒子为什么会具有干涉、衍射现象等'波的性质’；同时，其他物质粒子（比如电子）具有的'波性质’皆是由粒子衍射造成，这就找到了波粒二象性背后的作用机制.这一新研究成果对物理学的新进程具有非常乐观的意义.关键词：波粒二象性；粒子衍射波；光；粒子引言：在科学历史上，从来没有哪个问题像波粒二象性的争论那么持久，先后有：“笛卡尔'以太’说，牛顿光学的粒子说，惠更斯、托马斯·杨、菲涅尔波动说，再到普朗克黑体辐射和爱因斯坦光电效应的量子说”.但是，最终的结果仍然没有真正揭示光究竟是波还是粒子，只能勉强的称为波粒二象性，问题是，我们无从得知为什么光会具有波粒二象性，且这背后隐藏了什么？基于'二象性’的研究，导致了上世纪'量子力学’的诞生，但是二象性的困惑并没有因为量子力学的诞生而得到彻底的解决，量子力学的诞生反而让波粒二象性的面纱引向数学的概率而越发神秘，随后衍生出来的量子场论更是让当下的物理学越来越脱离物理本真，物理学的宗旨本因是将复杂的问题简单化，而眼下的物理学却恰恰相反，物理学遇到了新的瓶颈，物理学需要返璞归真，这意味着正孕育着一场新的变革，量子力学在一定的历史背景时期作为一种可能性解释存在有一定的科学意义，但是眼下物理学的发展迫切的需要更为完备的理论，这也是中国学术突破西方科学引领世界潮流的历史机遇.基于返璞归真的历史需求，由于我们不清楚'二象性’本质背后隐藏了什么，所以导致我们谁也不能用其中的一种性质去统一另一种性质，不过接下来我们将试图用粒子的性质去统一波的性质，通过对波粒二象性的统一，可以很好的去解决'量子力学’不确定原理的本质，这对解决当下的物理学困惑具有非常乐观的意义. 【1】【2】【3】【4】公理：任何不同种类的能量，都是运动的一种，运动不能脱离物体而存在，而物体都具有质量.公理：疑：当下物理学把光子定义为没有质量的纯能量子，显然是不正确的，因为即使是波，介质质疑：也是由粒子构成的.研究着手点：对于光的本质，可直接排除是一种波，因为波的介质也是由粒子构成，故而，只需要考虑光是一种粒子，在什么条件下，能导致光粒子发生衍射，进而产生波的性质，这样就可以解释光为什么会具有波粒二象性.一：光的本质是一种粒子衍射波.1．1下图为水波的衍射实验衍射图纹分布图像。
卡西米尔效应的原理
卡西米尔效应的原理量子力学给我们带来了一种神秘而难以想象的现象，这就是卡西米尔效应。
它是一种微观的现象，从原子的角度看待物质之间的相互作用。
它是由荷兰物理学家亨德里克·卡西米尔(Hendrik Casimir)在 1948 年提出的，是一种具有普适性的非常规量子现象，已经在各个领域产生了深远的影响。
1.卡西米尔效应的概念卡西米尔效应（Casimir effect）是一种被称为“零点波长”的现象，它是指两个不带电的、平行走向的、处于真空态下的金属板之间感应出的一种微小吸力。
这种吸力是由于真空中的场波产生的，所以它是一种典型的场的作用。
2.卡西米尔效应的原理对于卡西米尔效应的原理，可以从量子力学的角度来比较好地描述。
于是在两块板之间的真空中，有许多可以存在的量子波，即光子或光子玻色子，它们以不同的模式振动着。
这个真空是不真空的，它包含许多的粒子。
这些粒子会耗费能量来保持这些模式的振动状态，并产生一种压力，这种压力就是卡西米尔力。
卡西米尔力的产生源于真空中的场波，这些场波实际上是光子之间的相互作用，光子在量子力学中是一个陌生而特殊的对象，但我们可以理解它们的波动状态。
根据量子力学的原理，物质越小，波动性的表现就越大，所以我们需要考虑大量的光子时，它们的波动性就不容忽视了。
当两个重复的平行板间隔距离非常小，小到一个量子的封闭空间大小时，它们之间的卡西米尔力就变得显著而且容易被测量。
如果板之间正好完全符合波浪之间的相位要求，就会形成一种稳定的波浪形，形成一个能量孔隙波，形成了这种波动状态的自然压缩产生了吸引力。
3.卡西米尔效应的影响虽然卡西米尔效应只是一个微小的现象，但它在科学和工程领域产生了广泛的影响。
在一些高科技领域，如纳米技术和高精密仪器，测量卡西米尔效应被用于测量金属薄膜等不同元素之间距离的精度。
此外，随着技术的发展，卡西米尔效应已经发展成为一项很有前途的新领域，可以被用来检测量子色动力学领域的基本粒子相互作用。
卡什米尔效应
１５ ９ ８年史 帕 纳 依 （ ．Ｊ ｐ ｒ ａ ｙ 完 成 了对 卡 什 Ｍ ．Ｓ ａ ｎ ａ ）
米 尔 力 的 首 次 测 量 ［ 。 虽 然 这 个 实 验 有 很 多 粗 糙 的 地
有 场 模 贡 献 的 总 和 。 在 闵 可 夫 斯 基 空 间 中 的 电 磁 场 场 模 可 以 用 ３维 波 矢 ｋ加 上 两 个 极 化 方 向 标 记 ， 有 无 穷 它 多 个 场 模 。 尽 管 无 穷 多 个 场 模 的 总 和 是 个 无 穷 大 ， 不 但 会 发 生 本 质 困 难 。 在 物 理 学 的 所 有 场 中 （ 引 力 场 不 清 除 楚 外 ） 能 量 是 定 义 在 一 个 附 加 的 常 数 之 上 的 。 所 有 的 ， 物 理 能 量是 在 自由空 间 中无 穷 大 真 空 的基 础 上 测 量 的 。
米尔 力 是 卡什 米 尔 能量 对 板 间距 离 的 负导 数 。
为 １ ｍ 时 ， 位 面积 上 力 的 大 小 为 １３ｍＰ 。 单 ． ａ
图 ３ 量 子场 的真 空态 充满 所 有频 率 的零 点 （ 空） 真 振 动（ ： 由空间 中 ； ： 理 想金 属平 板之 间） 左 自 右 两
～ 一 ～ 一 一
为人 所 重视 。
子 机 械 器 件 注 定 它 们 的 运 动 方 式 会 受 到 卡 什 米 尔 力 的
影 响 。反过 来 ， 纳米 加 工 的 进 步 能 够 使 这 个 吸 引 力 的 精
确测 量 可行 。这 一 切 又 成 了 卡 什 米 尔 所 倡 导 的科 学 一
究 领导 者设 立 的 奖项 。他 参 与 创 建 了欧 洲 物 理 学 会 并
担任 过理 事 长 。他 还 是 欧 洲 工 业研 究 管 理 协 会 的 建 立 者之一， 并担 任 了第 一届 主席 。 卡什米 尔完美 地结 合 了科 学和 技术 这 两个 完 全不 同 的领域 。在跟 随量子 力学 的几位 创 始人 进行 了理论 物 理
利用里德堡原子电磁诱导透明现象研究卡西米尔效应
利用里德堡原子电磁诱导透明现象研究卡西米尔效应里德堡原子有很多优良的性质,例如自发辐射寿命长、极化率大、跃迁偶极矩强等。
里德堡原子间的相互作用引起的偶极阻塞效应,可用于制作量子比特,还可以用于研究多体效应和非线性效应。
电磁诱导透明(Electromagnetically Induced Transparency,简称为EIT)是由原子与耦合光和探测光相互作用引起的,在探测光共振频率处,本应出现的探测光吸收现象消失的一种量子相干效应。
相比于普通原子的EIT,里德堡原子的EIT具有很多特殊的性质,例如,产生非经典光、协同效应、非线性吸收等。
随着集成原子光学的发展,人们可以在固体表面器件(原子芯片)上操作冷原子。
当原子距离芯片表面几十微米左右时,由电磁涨落所引起的卡西米尔-博尔德效应(Casimir-Polder effect,简称为CP effect)会对原子能级产生一定的影响,从而影响EIT的透明窗口。
本论文研究了不同参数的里德堡原子团在真空中和芯片表面附近的EIT,探讨了原子团密度和高度、主量子数和芯片材料的电磁性质对里德堡原子EIT的影响,说明了利用里德堡原子的EIT可探测CP效应,反之,也可通过CP效应来调节里德堡原子的EIT。
(1)我们回顾了里德堡原子的基本性质,并详细介绍了里德堡原子的偶极矩的计算方法,进一步计算了里德堡原子的斯塔克效应,讨论了里德堡原子间的相互作用等。
(2)我们把里德堡原子简化为二能级系统,利用蒙特卡罗法模拟了里德堡原子的偶极阻塞效应。
接着我们模拟了里德堡原子的EIT,并考虑了里德堡原子间的相互作用。
较高密度下,里德堡原子间存在的相互作用会使双里德堡布居态的能级产生移动,从而导致其吸收曲线出现非对称线型;在低密度下,由于原子间距较大,里德堡原子间的相互作用较弱,可以近似等价于普通原子的EIT。
(3)我们研究了在原子芯片附近的里德堡原子的EIT,计算了不同原子团密度、原子团中心的高度和主量子数等参数下,CP效应对里德堡原子EIT的影响。
零点能与卡西米尔效应
⇒
〈������(������)〉 ������
=
−
ℏ������1−������������2−������ 2������3−������
3
1 −
������
∑|������|3−������
������
〈������〉
〈������(������)〉 ℏ������������2
⇒
������
下面让我们来推导一下卡西米尔力的大小11。
首先假设在 x-o-y 平面上（z=0）有一个金属板，而另一块金属板在 z=a 处（两者相距
a）。一个自由粒子的波函数是：
ψ(������, ������, ������; ������) = ������������(������������������+������������������+������������������−������������) 但是由于在 z 轴方向形成驻波，所以波函数变为：
关键词：零点能；真空；卡西米尔效应；虚粒子 中图分类号：O413.3
１ 零点能的引入
说起真空，人们的第一映像是什么都没有。没有物质，没有能量，只有空间和时间。一
百多年前的科学家也是这么认为的，直到碰上了量子力学。 最初是 1913 年，爱因斯坦和施特恩的论文在普朗克公式的基础上证明了即使是在绝对
零度下，所有振子仍存有一种“残余能量”，这个能量随后被叫做零点能量。他们做出了氢
其中������������(������)为 n 阶的厄米多项式。
从中可以看出振子的最低能量为ℎ������，只和振子的频率有关。
2
3 真空的物理学图像和一些前沿的难题
我们回到真空，真空中能量值的运算需要用到量子场论，这里不细究。最早是物理学家 保罗·狄拉克计算并生动地描述了真空态，他把真空比喻为起伏不定的能量之海3。而事实也 的确是这样。在量子场论中，空间的织构可以视作由场所组成的，而场在时间和空间中各点 是个量子化的简谐振子，并且有相邻振子的相互作用。零点能量是哈密顿算符的期望值，但 在这里，“真空期望值”这个词汇更常使用，而能量称为真空能量4。既然场是量子化的简谐 振子，不管它的“质量”、“弹性系数”如何，体系的最低能量始终是ℎ������。
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12、卡西米尔效应(Casimir effect)
在1948年，荷兰物理学家亨德里克·卡西米尔(Hendrik Casimir, 1909-2000)提出一项检测这种能量存在的方案。
从理论上解释，真空能量以粒子形态出现，并不断以微小的规模形成与消失。
在正常情况中。
真空中充满着几乎各种波长粒子，但卡西米尔指出，假如使两个不带电的金属薄盘紧紧靠在一起，较长的波长就被排除出去。
接着，金属盘外的其他波就会产生一种往往使其相互聚拢的力，金属盘越靠近，两者之间吸引力就越强，这种现象就是所谓的卡西米尔效应。
1996年，物理学家首次对它进行测定，实际测量结果和理论计算结果十分吻合卡西米尔效应(Casimir effect)就是在真空中两片平行的平坦金属板之间的吸引压力。
这种压力是由平板之间空间中的虚粒子(virtual particle)的数目比正常数目减小造成的。
这一理论的特别之处是，“卡西米尔力”通常情况下只会导致物体间的“相互吸引”，而并非“相互排斥”。
笔者认为：根据万有引力与弱相互作用是互为反作用力的观点，当距离缩小到一定程度，这种效应就不存在了。
带电体静电能相互作用能与自能的有关理论也可以推广至引力场，可以进一步探讨自能与引力能之间的关系。
例如一个半径为R、引力质量为m的均匀球体引力自能为W自= 3Gm2/5R，令W自=mc2, 得m/R=5c2/3G,R=3Gm/5c2, 根据此可得电子的半径约为4.04646×10-60m，而电子的经典半径约为2.8×10-15m，说明电子并未达到最大密度或者说存在与万有引力相反的作用力，因为宇宙中物体的最大密度ρ=m/V=3m/（4πR3）=125c6/(36πG3m2)，所以随着引力质量的增加，密度将逐渐减小，与经典观念差异很大，因此物体之间应存在反引力，它就是Einstein所提到的宇宙常数。