Casimir效应与量子真空

荷兰物理学家Hendrik Casimir于1948年提出存在一种Casimir力——当计算两个互相平行的不带电导体板之间的能量时,电磁真空边界环境造成两板互相吸引。在经典物理中对两板的作用力不会发生,因此这纯粹是一种量子效应。Casimir效应为"量子真空是一种物理实在"提供了直接的显示和证明。按照量子力学(QM)中的零点能(ZPE)理论,两平行金属板中场的每个模式对每块板都产生一定的压强;这种已由实验证明其存在的力使两板靠近。基本原因在于:虽然零点能(ZPE)不能直接计算和测量,但置入两板前后的能量差值却可由计算和测量而确定,即得到Casimir能Ec。Casimir效应使真空能(或者说真空电磁场)的存在成为可观察的效应。在这里"真空"一词是指物理真空,而非工程技术的真空。可以认为真空中放置双板后改变了真空的结构,故有两种真空:板外的常态真空或自由真空,板间的负能真空,后者的折射率小于1(n1)。对于与板垂直的电磁波传播而言,真空中的光速并不相同,变化量(△c/c)约为1.6×10~(-60)d~(-4),故当d=10~(-9)m时△c=10~(-24)c。因此量子电动力学双环效应,会使电磁波的相速和群速大于真空中光速c。虽然超光速的量很小,但却提升了对原理的兴趣。从1948年至今,70年后Casimir力仍然令人惊奇。Casimir效应的普遍性使其获得了广泛应用,本文从理论和实验方面的论述提供了对现象的深刻理解。     

负能量问题--超光速研究的重要方向

论述了关于负能量的多个理论预期和相关实验，阐明了超光速研究和负能量概念的关系。     

论量子超光速性

A.Einstein对量子力学(QM)的反对态度从1926年开始显露,1935年与B.Podolsky、N.Rosen联合发表论文时达到顶点,而EPR论文后来是从反面促进了科学的发展。该文以狭义相对论(SR)为思想基础,而SR和EPR都否定超光速的可能性。但QM允许超光速存在,并与研究超光速的前提即QM非局域性一致。1985年John Bell说,Bell不等式是分析EPR推论的产物,该推论说在EPR文章条件下不应存在超距作用;但那些条件导致QM预示的奇特相关性。Aspect实验的结果是在预料之中的,因为QM从未错过,现在知道即使在苛刻的条件下它也不会错;可以肯定实验证明了Einstein的观念站不住脚。Bell认为在进退两难的处境下可以回到Lorentz和Poincarè,他们的以太是一种特惠参考系,在其中事物可以比光快。Bell指出正是EPR给出了超光速的预期。……1992年以来有多个超光速实验成功的报道,有的以量子隧穿为基础,有的利用经典物理现象(如消失波、反常色散)。而在2008年,D.Salart等用处于纠缠态的相距18km的2个光子完成的实验证明其相互作用的速度比光速大一万倍以上,为104c～107c;可以说此实验对有关EPR的长期争论作了结论。过去25年来,量子超光速性是笔者的主要研究课题之一。1985年我们提出了量子势垒的等效电路模型;1991年我们最早指出截止波导中消失波模有负相速(vp0)和负群速(vg0)现象,笔者的专著《截止波导理论导论》获全国优秀科技著作奖。2003年我们用同轴光子晶体进行实验并观测到阻带中的超光速群速,为(1.5～2.4)c。2005年我们提出广义信息速度(General Information Velocity,GIV)和在2010年提出量子超光速性(Quantum Super-luminality,QS)两个概念,并建议改造现有的高能粒子加速器以寻找和发现超光速奇异电子。本文则较深刻地讨论了QS的若干问题,涉及微观粒子的速度定义、EPR思维与超光速研究的关系、量子纠缠态作用速度、量子隧穿的超光速性、负波速、Casimir效应的超光速性。文中指出Sommerfeld-Brillouin波速理论的意义和不足,用实验例说明量子光学(QO)方法与经典物理概念结合运用是重要的。自2000年以来的负群速实验常以某金属(如铯、钾、铷)的原子蒸汽状态作为受试对象,充分利用激光的高科技特性和手段,从而使之成为具有典型QO特征的现代物理实验,因而极不同于经典性质的物理实验。负群速不仅是超光速的特殊形态,而且普遍具有下述特征:输入脉冲进入媒质前,出口处即呈现输出脉冲峰,因而与经典因果性不同。虽然关于QS的知识和发现是丰富的和生动的,并且极有启发性,但它并不正面和直接地回答"物质、能量、信息能否以超光速传送"的问题。设计巧妙而有说服力的实验仍是科学家们的基本任务。     

论量子超光速性

A.Einstein对量子力学(QM)的反对态度从1926年开始显露,1935年与B.Podolsky、N.Rosen联合发表论文时达到顶点,而EPR论文后来是从反面促进了科学的发展。该文以狭义相对论(SR)为思想基础,而SR和EPR都否定超光速的可能性。但QM允许超光速存在,并与研究超光速的前提即QM非局域性一致。1985年John Bell说,Bell不等式是分析EPR推论的产物,该推论说在EPR文章条件下不应存在超距作用;但那些条件导致QM预示的奇特相关性。Aspect实验的结果是在预料之中的,因为QM从未错过,现在知道即使在苛刻的条件下它也不会错;可以肯定实验证明了Einstein的观念站不住脚。Bell认为在进退两难的处境下可以回到Lorentz和Poincarè,他们的以太是一种特惠参考系,在其中事物可以比光快。Bell指出正是EPR给出了超光速的预期。……1992年以来有多个超光速实验成功的报道,有的以量子隧穿为基础,有的利用经典物理现象(如消失波、反常色散)。而在2008年,D.Salart等用处于纠缠态的相距18km的2个光子完成的实验证明其相互作用的速度比光速大一万倍以上,为104c～107c;可以说此实验对有关EPR的长期争论作了结论。过去25年来,量子超光速性是笔者的主要研究课题之一。1985年我们提出了量子势垒的等效电路模型;1991年我们最早指出截止波导中消失波模有负相速(vp0)和负群速(vg0)现象,笔者的专著《截止波导理论导论》获全国优秀科技著作奖。2003年我们用同轴光子晶体进行实验并观测到阻带中的超光速群速,为(1.5～2.4)c。2005年我们提出广义信息速度(General Information Velocity,GIV)和在2010年提出量子超光速性(Quantum Super-luminality,QS)两个概念,并建议改造现有的高能粒子加速器以寻找和发现超光速奇异电子。本文则较深刻地讨论了QS的若干问题,涉及微观粒子的速度定义、EPR思维与超光速研究的关系、量子纠缠态作用速度、量子隧穿的超光速性、负波速、Casimir效应的超光速性。文中指出Sommerfeld-Brillouin波速理论的意义和不足,用实验例说明量子光学(QO)方法与经典物理概念结合运用是重要的。自2000年以来的负群速实验常以某金属(如铯、钾、铷)的原子蒸汽状态作为受试对象,充分利用激光的高科技特性和手段,从而使之成为具有典型QO特征的现代物理实验,因而极不同于经典性质的物理实验。负群速不仅是超光速的特殊形态,而且普遍具有下述特征:输入脉冲进入媒质前,出口处即呈现输出脉冲峰,因而与经典因果性不同。虽然关于QS的知识和发现是丰富的和生动的,并且极有启发性,但它并不正面和直接地回答"物质、能量、信息能否以超光速传送"的问题。设计巧妙而有说服力的实验仍是科学家们的基本任务。     

负波速研究进展

近年来有众多实验证明了超过真空中光速的可能性,并从理论上和实验上对群速超光速和负群速作了研究。本文着重论述负波速的光传播,例如光脉冲通过被测物(如原子气室或光纤)时其峰值在进入它之前就在它的输出端出现了,从而呈现出负渡越时间和负群速(NGV)。可以证明当Goos-Hnchen位移GHS为负,即D<0,而|D|>dΦ/dkz,则可获得负渡越时间(τ<0)。……文中论述的NGV传播是依靠反常色散媒质或消失波而实现的。在电磁理论中相速、群速可定义为矢量或标量。如在标量表达时出现负号,例如νg=-c/ng,不能认为负号只表示向反方向传播。必须指出在Sommerfeld-Brillouin波速理论中负群速是超光速的一种形态。本文提出了开展"三负研究"的思想,所谓"三负"是指负折射、负波速和负GH位移。如果我们透过现象看本质,这三方面的内在联系是非常重要的。最后,本文深入讨论了量子波动的内容和意义。     

真空涨落与Casimir力

荷兰物理学家H.Casimir于1948年预期有这样一种力：按照量子力学中的零点能（ZPE）理论,当有两块不带电荷的互相平行的金属板,场的每个模式对每块板都产生一定的压强,这种已由实验证明其存在的力使两板靠近。在62年后的今天,Casimir力仍使人惊讶。由于Casimir效应的普遍性,物理学中多处用到这一概念。本文描述的理论与实验使对现象的认识得到深化。Casimir效应使真空能（或者说真空电磁场）的存在成为可观察的效应。在这里＂真空＂一词是指物理真空,而非工程技术的真空。但为了以更高精度测量金属表面之间的Casimir力,我们建议实验环境应按工程真空的要求安排,例如采用超高真空（UHV）。     

论零点振动能与Casimir力

在真空中放置一对平行的金属板（间距很小）,两板会由于一个微弱（可测出）的力而有相互靠近的趋势。这种Casimir效应可用量子理论中的零点能（ZPE）解释。科学家们都认为Casimir力存在,但对其产生的原因却有不同看法。空虚空间是否具有能量,其答案或许将决定宇宙的命运。在自然界和人类实验室中,有许多异常现象可用Casimir效应及挠场理论作出说明。     

超光速物理学研究的若干问题

1905年Einstein说“超光速没有存在的可能”,他的理念其实只是假设或猜测。自从1962~1967年以来,超光速研究在多国(如美国、德国、意大利、中国)广泛开展。本文论述1963~2013年间超光速研究的成就和问题,其理论和实验是用经典物理或量子物理方法实施的。基于波粒二象性,科学家按照两条路线(粒子、电磁波)而展开研究。新学科“超光速物理学”的建立已成事实,其研究成果所展现的生动和丰富令人惊讶。     

21世纪电子学的若干前沿课题

本文讨论世纪之交时（２０００年前后）物理学、电子学的现状和若干前沿课题，涉及真空能、电子负质量、量子势、虚粒子、超弦理论、快子，以及ＥＰＲ思维实验、量子交缠与量子远距传物、量子信息学、量子计算机等方面     

电磁波传播中的超光速群速和负群速

分析了产生群速超光速和负群速的条件。讨论了截止波导中消失波条件下的超光速群速和负群速。用模拟同轴光子晶体的结构进行实验,获得了阻带中的超光速群速,Vg=(1.5-2.4)c。     

Observation of the dynamical Casimir effect in a superconducting circuit

One of the most surprising predictions of modern quantum theory is that the vacuum of space is not empty. In fact, quantum theory predicts that it teems with virtual particles flitting in and out of existence. Although initially a curiosity, it was quickly realized that these vacuum fluctuations had measurable consequences--for instance, producing the Lamb shift of atomic spectra and modifying the magnetic moment of the electron. This type of renormalization due to vacuum fluctuations is now central to our understanding of nature. However, these effects provide indirect evidence for the existence of vacuum fluctuations. From early on, it was discussed whether it might be possible to more directly observe the virtual particles that compose the quantum vacuum. Forty years ago, it was suggested that a mirror undergoing relativistic motion could convert virtual photons into directly observable real photons. The phenomenon, later termed the dynamical Casimir effect, has not been demonstrated previously. Here we observe the dynamical Casimir effect in a superconducting circuit consisting of a coplanar transmission line with a tunable electrical length. The rate of change of the electrical length can be made very fast (a substantial fraction of the speed of light) by modulating the inductance of a superconducting quantum interference device at high frequencies (>10 gigahertz). In addition to observing the creation of real photons, we detect two-mode squeezing in the emitted radiation, which is a signature of the quantum character of the generation process.     

电磁场与物质耦合系统真空态和Casimir效应物理解释

采用一种简洁的方法讨论电磁场与物质耦合系统的能量本征态，在新的理论基础上给出关于Casimir效应物理根源的新的定性解释，采用类压缩态的假设找到了该耦合系统新的真空态，其能量比以往工作中量子力学二阶微扰方法给出的能量更低，该方法不仅适用于不同子体系间有弱相互作用的系数，给出系统能量更低的真空态，而且还能处理子体系间有较强相互作用的系统并给出其基态及能量的精确解析解，得出了对Casimir效应的物理解释，Casimir效应不是单纯来源于电磁场或物质的零点能的量子涨落，而是来源于电磁场与物质耦合系统真空态量子涨落，电磁场和物质对系统的真空态能量以及Casimir效应都有贡献。     

弦圈系统的Casimir能量

Casimir能量是量子场的一类零点能，是由于边界的出现、时空的弯曲以及某些背景场的存在而引起的．在此，计算了各种不同闭弦体系的Casimir能量，比较了不同弦圈体系的Casimir能量，并讨论了一些有关的问题。     

能量转换量子系统的热力学特性及其研究进展

量子物理是理解微观粒子运动规律的现代物理学理论.它与信息、生命以及化学等学科相互联系日益紧密,引发了许多新技术革命,深刻影响着人类的生活,已成为社会经济发展的原动力之一.当前,量子物理和能源科学结合,正在产生新的学科生长点.本文主要概述多种类型能量转换量子系统的发展;结合国内外的研究现状,系统地阐明如何应用热力学理论研究量子体系的能量操控以及微观器件的优化设计;总结量子热力学循环、能量选择量子电子器件、量子点热管理器件等在理论和实验方面研究的代表性成果和进展;展望量子物理与能源科学交叉领域发展的新方向.     

虚光子初探

不可直接观测的光子被称为虚光子。在量子电动力学(QED)中,真空态是以能量21ω和动量21→k为标志的,并指出真空能会在一个吸引力(Casimir力)作用下使两个互相平行的导体板有靠近的趋势。在一般情况下,要了解虚光子必须先全面了解光子,但后者仍有许多问题有待解决,光的波粒二象性理论也有待研究和完善。零点能(ZPE)概念是经典物理与量子物理的重要区别之一,并不能否定;但在近年来的研究中,物理学家用光子作为振荡源的随机分布,或用标量场及场的Green函数径迹,可顺利完成对Casimir力的推导。虽然多年来人们援引Ca-simir效应作为量子场的ZPE是实际存在的迹象,但令人惊奇的是不用零点起伏(甚至不用真空)也能导出Casimir的结果,亦即ZPE不在计算中出现。换言之,对Casimir效应描述而言ZPE是启发性的辅助计算手段,但并非必要条件。这就留下了深层的疑问——ZPE为何缺乏真实存在的实验证据?消失态在电磁环境中是常见的,基本特点是场强随距离增大而指数地减小,并在传播方向上无相移。可以认为消失态具有虚的波矢量。已有若干研究工作显示,由QED表述的虚光子特性在一些消失模实验中被观察到。因而从物理意义上提出了...     

现代物理学中的负参数研究

本文首先回顾自由电子理论中的负能态概念,讨论了自然界存在负引力、负质量的可能性.然后论述负波速、负折射和负GH位移存在的物理基础及相互联系.进一步提出,现代物理学中的任一概念或参数均有为负(或反向)的可能,因而具有普遍性.在此基础上论证说,物理参数为正或为负的本身是自然界的对称性机制之一,对它的研究是探索客观规律的新途径.论述了有关现象的应用,例如对负引力、负能和负质量的综合研究可能引起航空器、航天器设计方法的革命.又如,对负波速、负的波折射和负GH位移的综合研究将造成对电磁波(包括光)的认识上的飞跃,并可使幻想中的隐身衣成为现实.研究工作也将推动技术发展,例如研究GH位移的意义之一是在近场光学显微术中的应用等.最后大胆地沦述说,虽然现实世界是正参数居统治地位而负参数是少数(或个别)现象,但或许存在另一个负参数世界,在其中正参数是少数(或个别)的行为.     

Yang-Mills理论、维度正规化及其它

首先介绍了1999年度诺贝尔物理学奖得主，胡夫特和维尔特曼的维度正规化方案.然后简要阐述Yang-Mills理论的基本思想、发展概况，尤其是其中的重整化问题和真空对称性自发破缺机制，评述了作为20世纪量子论发展的最高阶段--量子化的Yang-Mills理论，对于整个物理学，尤其是基本粒子的基本相互作用理论的巨大贡献.最后展望了21世纪物理学发展的趋向.     

原子分子体系的引力效应

寻找完整的量子引力理论是目前理论物理中的前沿热点问题之一,而黑洞热力学和量子干涉仪探测引力效应被认为是正在形成的量子引力理论的两个重要的"实验区".前者通过将量子概念引入到广义相对论来检验二者如何结合,特别是量子力学幺正性将在这两个理论的结合中经受严峻考验;而后者通过量子系统在引力场背景中的演化来试验引力对系统量子属性的影响,在这一方面广义相对论等效原理在微观粒子领域将接受越来越严格的实验检验.目前,原子分子物理实验中出现了类似黑洞辐射的现象,然而,这些现象出现的理论机制还不是非常明确,究竟能否用目前已有的理论解释,或者还是需要构建新的理论来解释也是不清楚的,但是无论如何,这些现象的出现为实验研究量子引力理论打开了一扇窗户.另一方面,人们已经使用量子系统测量一些弱引力效应,这不仅为研究引力对量子系统的影响提供了便利条件,也为研究二者结合提供了一个好的突破口.本综述将结合我们近几年的工作,围绕原子分子体系中的强引力和弱引力效应来介绍和讨论这些问题.     

预测未来的科学

“未来无法预测”的说法肯定是错误的。在科学基础上预测未来是常见的事,并不奇怪。典型例子如天气预报。而对地震的研究导致了地震学科的建立。客观世界遵循自然规律,但又是无规、随机、非线性和有突变的,因而预测未来既可能又很难成功。不能用因果性要求批评量子物理实验;可以用因果性对待经典物理实验,但不应死守“因先于果”的时序限制。因果律的精髓应是“在任何情况下果都不能影响因”。在Maxwell—d’Alembert方程求解过程中,完整的数学分析结果是有一个滞后解和一个超前解。过去的习惯作法是抛弃超前解而只留下滞后解,虽然从逻辑上的因果性出发而这样做并不合理,能被人们接受的理由只是“滞后解才与实验情况相符合”。现在已出现了众多的负波速实验,证明了超前渡存在,并且在实验中“果超前于因”。这些实验体现了“进入未来”的意蕴,或许可以看成是“时间机器”设想的某种体现。一般认为经过时空隧道可作时间旅行;也可利用量子力学现象,例如纠缠态和后选择。量子隐形传态传送的是量子态而非实体物质,从逻辑上讲量子后选择传态与时间旅行是一致的。因此旅行者实际上未动,而传送的是描写旅行者的全部信息。很明显,在量子理论中时间旅行是可能的。量子力学是未来学发展的动力。……然而未知事物大量存在,要承认未来充满了不确定性;对未来学的研究面临巨大困难,道路是漫长的。