A Force from Empty Space The Casimir Effect

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1 A Force from Empty Space The Casimir Effect
Teacher：許藝菊 Class：碩研機械一甲 Name：黃保珠 Number：M

2 Outline The Casimir effect Zero point energy Suspension effect theory
Conclusion

3 卡西米爾效應 １９４８年，荷蘭物理學家亨德裏克‧卡西米爾提出了一種檢測這種能量存在的方案。
從理論上看，真空能量以粒子的形態出現，這些粒子也會表現為波，並不斷以微小的規模形成和消失。在正常情況下，真空中充滿著幾乎各種波長的粒子。 卡西米爾認為，如果使兩個不帶電的金屬薄盤緊緊靠在一起，波長較長的波就會被排除出去。接著，金屬盤外的其他波就會產生一種往往使它們相互聚攏的力，金屬盤越靠近，兩者之間的吸引力就越強，這種力就是所謂的卡西米爾力。

4 何謂零點能 大多數人認為，真空是空蕩蕩的，但是根據量子電動力學，沒有比這種觀點更加荒謬的了。
實際上真空中到處充滿著稱作「零點能」的電磁能。「零點能」中的「零」指的是，如果把宇宙溫度降至絕對零度（宇宙可能的最低能態），部分能量就可能保留下來。實際上，這種能量是相當多的。 所謂零點能是指量子在絕對零度下仍保持震動時的能量。 關于零點能的設想來自量子力學的一個著名概念：海森堡測不準原理。該原理指出，不可能同時以較高的精確度得知一個粒子的位置和動量。因此，當溫度降到絕對零度時粒子必定仍然在振動；否則，如果粒子完全停下來，那它的動量和位置就可以同時精確測知，而這是違反測不準原理的。

5 卡西米爾效應 科學家對卡西米爾效應產生的排斥力和吸引力進行了計算。分析的重點不是金屬盤，而是微型金屬盒。科學家稱之為「空腔」。金屬盒的每個面均不超過1微米。 實驗證明，卡西米爾力及其方向取決於空腔的形狀。科學家指出：「如果一個空腔的形狀與比薩餅盒相同，那麼對金屬盒兩個寬面的壓力會使它們靠攏，但對兩個窄面的壓力會使它們互相分離。這種空腔最有趣的地方是它又長又薄，大小與一個大腸桿菌不相上下。 這種空腔的一個重要特點是其中一個寬面處於完全平衡的狀態：內向與外向真空壓力完全相等。

6 卡西米爾效應 這個小圓球提供了宇宙會一直膨脹下去的證據！ 這顆直徑稍比百分之一公分大的球，會在真空能量起伏的推動下，移向表面平坦的平滑區域。
這種吸引力稱為卡西米爾效應 (Casimir Effect)，目的在了解為什麼像美奶滋這種液體，流動的速度為何會如此之慢。 現在已經有相當多的證據顯示，宇宙中大部份能量密度的形態仍然未知，目前暫時被稱為是暗能量。 雖然目前對暗能量的形態和起源幾乎完全未知，不過科學家認為它可能和空間本身所產生的真空起伏有關，或者說是和卡西米爾效應可能有關聯。 這種巨大但神祕的暗能量，在重力上會排斥所有的物質，因此可能會造成宇宙不停地膨脹。 了解真空起伏，不但有助於我們了解宇宙，也可以幫助我們找出防止微機械零件粘著在一起的方法。

7 卡西米爾效應 麥克萊打算製造一個處於平衡狀態的一面（稱為盒蓋）可以自由移動的金屬盒。
倘若盒蓋從平衡點向內略微移動，空腔內的真空壓力將下沉，盒蓋將進一步向內收縮。倘若盒蓋向外移動，則結果正好相反，盒蓋向外擴張。由此產生的位移是非常小的，不到100毫微米。盒蓋將被吸附在一條微型彈簧上。因此，當盒蓋移動 時，微型彈簧會被拉長或縮短，並且往往會返回原處。 麥克萊希望，通過小心翼翼地使空腔的真空壓力和彈簧的彈性力保持平衡。並恰到好處地向盒蓋施放初始脈衝，他能夠製造出一個由卡西米爾力驅動的微型振蕩器。 麥克萊和克拉克目前的計劃是，在基片上製造一排由數百空腔組成的無蓋空腔，然後製造一個以蓋住整排空腔的蓋盒。這個蓋盒將懸掛在整排空腔上方的彈簧 上，並一點點移向蓋盒。最初蓋盒應保持不動，但當空腔靠近到足夠近的位置時，真空壓力差異會引起蓋盒移動，甚至可能產生振動。透過顯微鏡仔細觀察蓋盒的表 面，可以測出蓋盒的位移，而且精確度極高。

8 懸浮效應理論 來自蘇格蘭聖安德魯斯大學的理論物理學家們近日《新物理學報》中發表了一份報告，指出目前可能利用一種特殊鏡片，使得自然界一種被稱為“卡西米爾”的作用力支持“物體排斥”現象，從而進一步引起物體懸浮於空中。 這一理論的特別之處是，“卡西米爾力”於通常情況下只會導致物體間的“相互吸引”，而並非“相互排斥”。聖安德魯斯大學的專家表示，一旦新提出的理論被成功付諸於實際，對於奈米技術研究是有幫助的，“最開始可運用於阻止不同的微型裝置黏成一團”。 聖安德魯斯大學里昂哈德教授解釋，“卡西米爾力”是造成奈米世界產生摩擦力的根本原因，但如果運用得當，這一作用力將幫助微機械在摩擦力很小、甚至沒有摩 擦力的情況下，更加順暢的運轉。 里昂哈德教授指出，目前要將該理論付諸實際尚比較困難，但從長遠上看，“並非完全沒有可能”，如果實驗成功，則意味着即便物體間相隔很長一段距離，“懸浮效應”也可能產生。另外，里昂哈德還說：“從理論上看，如同人一樣大的物體也可能借助該作用力懸浮於空中”。

9 Conclusion The Casimir effect is caused by the fact that space is filled with vacuum fluctuations, virtual particle-antiparticle pairs that continually form out of nothing and then vanish back into nothing an instant later. The gap between the two plates restricts the range of wavelengths possible for these virtual particles, and so fewer of them are present within this space. This results in a lower energy density between the two plates than is present in open space; in essence, there is "less than nothing" between the two plates, creating negative energy and pressure, which pulls the plates together.

10 參考文獻 Scientific American Department of Physics, NCKU 世界科技譯報 維基百科

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