卡西米尔效应

在量子场论中，卡西米尔效应是由场的量子涨落引起的作用于密闭空间宏观边界的物理力。 它以荷兰物理学家亨德里克卡西米尔的名字命名，他于 1948 年预测了电磁系统的影响。

同年，Casimir 和 Dirk Polder 描述了宏观界面附近的中性原子经历的类似效应，称为 Casimir-Polder 力。 他们的结果是伦敦范德瓦尔斯力的概括，包括由于光速有限而导致的延迟。 由于导致伦敦-范德瓦尔斯力、卡西米尔力和卡西米尔-波尔德力的基本原理可以分别在同一基础上表述，因此如今命名法的区别主要服务于历史目的，通常是指不同的物理 设置。

直到 1997 年，S. Lamoreaux 的一项直接实验才定量测量出卡西米尔力与理论预测值的误差在 5% 以内。

卡西米尔效应可以理解为宏观材料界面（如导电金属和电介质）的存在会改变二次量子化电磁场能量的真空期望值。 由于这种能量的值取决于材料的形状和位置，因此卡西米尔效应表现为这些物体之间的一种力。

任何支持振荡的介质都有卡西米尔效应的模拟。 例如，绳子上的珠子以及浸没在湍流水或气体中的盘子都说明了卡西米尔力。

在现代理论物理学中，卡西米尔效应在核子的手性包模型中起着重要作用； 在应用物理学中，它在新兴微技术和纳米技术的某些方面具有重要意义。

典型的例子是真空中两个不带电的导电板，它们相距几纳米。 在经典描述中，没有外场意味着板之间没有场，并且不会在它们之间测量力。 当使用量子电动力学真空研究该场时，可以看出这些板确实会影响构成该场的虚光子，并产生合力——吸引力或排斥力，具体取决于两个板的具体排列。 虽然卡西米尔效应可以用与物体相互作用的虚拟粒子来表示，但xxx用物体之间的中间空间中量子化场的零点能量来描述和更容易计算。 这种力已经过测量，是通过二次量化正式捕获的效果的一个显着例子。

这些计算中边界条件的处理引起了一些争议。 事实上，卡西米尔最初的目标是计算导电板可极化分子之间的范德华力。 因此，它可以在不参考量子场的零点能量（真空能量）的情况下进行解释。

因为力的强度随着距离的增加而迅速衰减，所以只有当物体之间的距离非常小时才能测量到。 在亚微米尺度上，这种力变得非常强大，以至于它成为不带电导体之间的主导力。 事实上，在 10 nm 的分离——大约是原子典型尺寸的 100 倍——卡西米尔效应产生相当于大约 1 个大气压的压力（精确值取决于表面几何形状和其他因素）。

1947 年，飞利浦研究实验室的荷兰物理学家 Hendrik Casimir 和 Dirk Polder 提出两个可极化原子之间以及这样一个原子与导电板之间存在力； 这种特殊形式称为卡西米尔-波尔德力。 1948年，卡西米尔与尼尔斯·玻尔交谈，后者认为这与零点能量有关，卡西米尔独自提出了预测中性导电板之间力的理论。后一种现象在狭义上称为卡西米尔效应。

力的预测后来扩展到有限电导率金属和电介质，最近的计算考虑了更一般的几何形状。 1997年以前的实验对力进行了定性观察，并通过测量液氦薄膜的厚度间接验证了预测的卡西米尔能量。 然而，直到 1997 年，S. Lamoreaux 的直接实验才定量测量出该力与理论预测值的误差在 5% 以内。 随后的实验接近百分之几的准确度。

卡西米尔效应的原因由量子场论描述，该理论指出所有各种基本场，例如电磁场，都必须在空间的每个点上被量化。