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卡西米爾誕辰 │ 科學史上的今天:07/15

真空,意味著在這封閉空間中啥都沒有,沒有物質,也沒有能量,一片虛無。然而,這只是古典物理的觀點,在量子物理的顯微鏡下,真空並不空,虛擬粒子對不時憑空而生,卻又隨即湮滅,釋放出電磁波。就像從外太空遠觀地球,會以為大海平靜如鏡,但當靠近海面,就會發現波濤洶湧,起伏不定。

是的,根據量子場論,即使是空無一物的真空中,仍蘊含著一定的能量,這樣的真空能量又被稱為「零點能」。虛擬粒子對正是從這真空能量中提借能量而幻化成形,一正一反,剎那間又相互交會而雙雙消逝,在那湮滅的瞬間釋出能量還給真空能量,怎麼來怎麼去,不生不滅,不增不減。

不過,理論如此,焉知其真偽?虛擬粒子對稍縱即逝,釋出的能量又微弱難察,而在巨觀狀態下,真空就是真空,並無異狀,如何驗證真有所謂的量子真空?結果提出方法的竟非象牙塔裡的理論大師,而是任職於飛利浦的荷蘭物理學家──卡西米爾(Hendrik Casimir, 1909-2000)。

其實卡西米爾曾師承多位量子力學巨擘,包括波耳、包立、埃倫費斯特等人,但他在 1938 年返國於萊頓大學任教四年後,決定到飛利浦公司的實驗室任職;當他升任實驗室主任後,包立還故意用「主任先生」的稱呼取笑這位「誤入歧途」的學生(奧地利一般會對博士冠以 ”Herr Doktor” 的尊稱,因此包立用諧音 ”Herr Direktor” 來開玩笑)。但卡西米爾堅信科技與科學是相輔相成的,關於真空能量的問題就是他在 1948 年研究懸浮在空中的石英粉時得到的靈感。

理論上,虛擬電子對湮滅時釋出的電磁波有各種大小不等的波長。卡西米爾預測,如果在真空環境中放置兩片極為靠近的金屬片,那麼金屬片之間只能允許波長小於其間隔距離的電磁波存在,金屬片內的真空能量漲落就遠小於金屬片外,這樣的壓力差異就會使兩片金屬片彼此接近,彷彿互相吸引一樣。這個現象就稱為「卡西米爾效應」。

然而卡西米爾效應極小,又必須在極近的距離才會出現,因此直到 1996 年才由美國的洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)國家實驗室首度觀察到,之後隨著奈米技術的進步,也在微機電裝置上發現卡西米爾效應。諷刺的是,真空能量被證實後,反而被部分人士拿來大作文章,完全忽視卡西米爾效應與距離四次方成反比的事實,侈言可以從真空中汲取免費能源,「零點能」變成他們的美麗標語,為量子力學被不當引用又增添一例。

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。