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深层分析：真空里面到底有什么？( 二 )


最后 ， 自由小球重新回到小球阵列中 。 自由小球不断地从空间中快速产生又消失 ， 从而使得空间中整体而言不存自由的小球 ， 维持一个整体的平衡 。
卡西米尔效应
每个新理论出现之后 ， 科学家总是急于寻找验证它的方法 。
1948年 ， 荷兰理论物理学家卡西米尔通过纯理论计算找到了一种验证上述理论的方法 ， 这就是著名的卡西米尔效应 。
设想有一个大的真空空间 ， 其中有两个平行金属板 。 由于两板之间的空间相对于板外来说比较小 ， 因此如果量子场论是正确的 ， 那么板间的场里含有的小球数应该少于板外空间 。 那么 ， 板间的小球对板的撞击力应该小于板外小球对板的撞击力 ， 所以板会受到外界的挤压力 。
很快 ， 这一理论预测的现象就被观测到了 。 在真空中的平行金属板受到了真空施加的挤压力 。
也就是说 ， 真空里确实有很多小球！真空不是空的！
由于板间的场涨落产生的粒子少 ， 因此会感受到外面空间产生的压力 ， 这就是卡西米尔效应 。
根据狭义相对论 ， 物质和能量的本质是一样的 ， 真空中有很多小球 ， 就意味着真空中有不为零的能量 。 科学家能够计算出真空中能量的数值 ， 称之为零点能 。
可不要小看零点能哦 ， 虽然平时我们感受不到它的作用 ， 但是当两个金属板距离很近的时候（例如10纳米左右） ， 真空零点能能够在金属板上施加约1个大气压的压强 。 因此在高级计算机芯片或者航天器设计过程中 ， 必须考虑卡西米尔效应的影响 。
声音穿过了真空
量子场论认为 ， 所有的物质和能量都可以对应一个真空中的场 ， 那么声音作为一种振动能量 ， 也可以对应一个振动能量的场 。
让我们再次考虑两个真空中的平行金属板 ， 它们之间存在上述的振动能量场 。 如果在一个板上施加振动能量 ， 这个能量会和板间的振动能量场发生交互 ， 从而引起另一片金属板的振动 ， 这便是声音的卡西米尔效应 。 也就是说 ， 声音可以通过真空传播 。 在微观层面上 ， 分子振动也是一种热现象 ， 因此声音能穿过真空而传播 ， 也就意味着热量也可以跨越真空而传播 。
注释：热量传递的方式有热传导、热对流和热辐射 ， 其中传导和对流是需要介质的 ， 辐射不需要介质 ， 但是能量是以电磁波的形式传播的 。 本实验中证明的热量跨越真空传播 ， 并非通过辐射形式而传播 ， 是真正意义上的热量不需要介质而传播 。
虽然理论上可以预测该效应 ， 但是由于它十分微弱 ， 所以观测是很困难的 。 加州大学伯克利分校的Zhang lab在巧妙设计的实验装置的帮助下 ， 首次观测到了声音在真空中传播的现象 ， 也即本文开头处所提到的研究成果 。
这再次证明了量子场论的主要观点：“真空不空”和“万物皆场” 。
当两个金属板间的距离小于500纳米时 ， 能够观察到高温物体的温度（T2）减小而低温物体的温度（T1）增加 ， 也就是说热量（振动能量 ， 也就是声音的能量）跨越了真空而传播 。 实验排除了对流和辐射的干扰 。
黑洞与壁虎
为什么霍金说黑洞会发出辐射？壁虎又为什么能够挂在墙上？这都跟我们今天讲的量子场论和卡西米尔效应有关 。
霍金利用真空不空的原理预言了黑洞辐射的存在 。
他的主要观点为：黑洞是一种光速都无法逃离其引力的天体 。 我们考虑黑洞边缘的空间 ， 由于场的涨落 ， 有可能产生一对正反物质小球 。 由于量子力学的测不准原理 ， 这对小球的速度有可能超过光速 。 此时若反物质小球落入黑洞 ， 那么正物质小球就有可能挣脱黑洞的束缚而飞出 。 落入黑洞的反物质小球和黑洞内其它的正物质小球重新结合而使得黑洞的质量减少 。 那么总的结果就是：黑洞质量减少 ， 同时放出了一个正物质小球 。 这就是黑洞辐射的原理 。
该理论打破了人们印象中黑洞“只进不出”的形象 ， 具有划时代的意义 ， 也是霍金的史诗级成果之一 。
注释：关于超光速的问题 ， 狭义相对论只是论证了“物体无法通过加速的方式达到光速” ， 但并未限制物体诞生时的速度可以超过光速 。 否则的话 ， 连光本身也不能达到光速了 。
如图 ， 成对出现的粒子中 ， 如果有一个落入黑洞而另一个逃离黑洞 ， 逃离的那个粒子就成为黑洞辐射 。
更让人意想不到的是 ， 小小的壁虎竟然也能够利用卡西米尔效应来爬墙 。
壁虎的脚上有数万根刚毛 ， 每一根都极其细小 ， 小到每根刚毛和墙壁间的距离都只有纳米级 。 前面我们提到过 ， 如果两个板的间距很小 ， 那么卡西米尔效应可以施加非常可观的压力将两个板压在一起 。 所以 ， 壁虎脚上的数万组卡西米尔效应将它挂在墙上 。

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