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卡西米爾效應以荷蘭物理學家的名字命名,它卡西米爾效應支配著物質與真空中存在的能量之間的相互作用。成功駕馭這種力量有一天可能幫助研究人員開發低摩擦彈道學,甚至能夠抵抗重力的懸浮物體。目前,美國國防部高階研究計劃局 (DARPA) 已經啟動了一個為期兩年、耗資 1000 萬美元的專案,鼓勵科學家研究操縱這種量子電動力學特性的方法。
真空通常被認為是空洞,但 亨德里克·卡西米爾 認為這些虛無的空間確實包含電磁波的漲落。他在 1940 年代與荷蘭物理學家同事 德克·波爾德 一起完成的工作中提出,真空中保持分離的兩塊金屬板可以捕獲波,產生真空能量,根據具體情況,真空能量可以吸引或排斥金屬板。隨著真空區域邊界的移動,真空能量的變化(也稱為零點能量)導致卡西米爾效應。哈佛大學、阿姆斯特丹自由大學和其它地方的最新研究證明了卡西米爾的正確性,併為 DARPA 的研究提案請求提供了一些實驗基礎。
來自五個機構的研究人員——哈佛大學、耶魯大學、加州大學河濱分校以及兩個國家實驗室阿貢和洛斯阿拉莫斯——獲得了資助。DARPA 將在 2011 年初評估各研究小組的進展,以瞭解是否可能從研究中產生任何實際應用。“如果該專案取得成功,很有可能開展後續專案來應用這項研究,”DARPA 負責該計劃的物理學家 托馬斯·肯尼 說。
DARPA 網站上的專案檔案指出,卡西米爾效應增強計劃的目標“是開發新的方法來控制和操縱基於卡西米爾力工程的表面上的吸引力和排斥力。人們可以利用這種能力來控制奈米器件中的粘附、車輛的阻力以及國防部感興趣的許多其他相互作用等現象。”
奈米級設計是最有可能的起點,也是懸浮可能出現的領域。致力於製造稱為微機電系統 (MEMS) 的微型機器的材料科學家們,正在與表面相互作用作鬥爭,這種相互作用被稱為 範德華力,它會使奈米材料粘稠到永久粘附的程度,這種現象被稱為“粘滯”。為了克服粘滯,許多 MEMS 裝置都塗有特氟龍或類似的低摩擦物質,或者佈滿了微小的彈簧,使表面保持分離。不需要這種修復的材料可以使奈米技術更可靠。這種材料可以避開粘附帶來的另一個問題:由於奈米尺度的表面粘性遠大於較大物體的表面粘性,MEMS 設計師不得不使他們的裝置相對剛硬。這減少了粘附(剛性結構不容易相互彎曲),但它降低了靈活性並增加了功率需求。
在某些條件下,操縱卡西米爾效應可能會在奈米級表面之間產生排斥力。洪唐 和他在耶魯大學工程與應用科學學院的同事說服了 DARPA 接受他們的提案,即評估微型矽晶體(如構成計算機晶片的晶體)之間的卡西米爾力。“然後我們將設計矽器件表面的結構,以獲得一些不尋常的卡西米爾力來產生排斥力,”他說。他補充說,從理論上講,這可能意味著製造出能夠懸浮的裝置。
這些說法散發出強烈的幻想氣息,但研究人員表示,漸進式的成功可能會為奈米技術關鍵領域以及可能更大的結構的重大突破開啟大門。“我能貢獻的是瞭解卡西米爾力在真正的工作裝置中的作用,例如微波開關、MEMS 振盪器和陀螺儀,這些裝置通常由矽晶體而不是完美的金屬製成,”唐說。
提案徵集於 9 月結束。肯尼說,該專案收到了“很多關注”。“我對提案的創造性和實用性感到驚訝,”他補充說,儘管他拒絕透露有多少團隊提交了提案。“這不是純粹的理論。有一些看起來可建造的真實設計,物理原理看起來也得到了很好的理解。”
儘管如此,卡西米爾專案對於 DARPA 管理人員來說仍然是“難以推銷的”,肯尼承認。“它非常基礎,風險非常高,甚至在物理學方面也具有推測性,”他說。“要讓機構管理層相信時機是正確的很困難,特別是考慮到機構內必須競爭資金的專案數量。”
如果卡西米爾專案產生任何有形的結果,DARPA 管理人員肯定會感到滿意,因為早期的嘗試已經失敗。例如,在 1996 年至 2003 年期間,NASA 曾有一個專案來探索它所謂的 突破性推進物理學,以建造能夠以超過光速(每秒 299,790 公里)的速度飛行的航天器。實現這一目標的一種方法是利用真空中的卡西米爾力並利用能量為推進系統提供動力。該專案在其網站上以這樣的墓誌銘結束:“沒有突破性進展即將出現。”
基於卡西米爾效應的突破性推進的眾多問題之一是,雖然零點能量在理論上可能是無限的,但在實踐中它不一定是無限的,甚至不是微不足道的可訪問的。“與其說這些看起來像是非常好的能源方案,不如說它們是巧妙地提出一些非常棘手的問題並對其進行測試的方法,”負責推進計劃的 NASA 物理學家 馬克·米利斯 說。
加州理工學院研究卡西米爾效應的物理學家 傑里米·蒙代 警告說,DARPA 專案也面臨著幾個巨大的障礙。首先,僅僅測量卡西米爾力就足夠困難了。蒙代補充說,這些實驗需要多年才能完成,他最近在《自然》雜誌上發表了一篇論文(《大眾科學》是自然出版集團的一部分),描述了 他自己的研究。更重要的是,他說,雖然一些研究小組已經測量了卡西米爾力,但只有少數幾個小組能夠顯著地改變它。儘管如此,蒙代補充說,該計劃的探索性質意味著其目標和期望“相當合理”。
考慮到卡西米爾力永遠不可能提供太多能量來利用,唐對他的努力持務實的態度。“力真的很小,”他說。“畢竟,真空就是真空。”
然而,有時最好的科學希望只能是邁出嬰兒般的步伐。“要想拿出任何能夠帶來可行的能量轉換或可行的力產生效果的東西,我們還遠未接近,”米利斯說。“但是,當然,除非你嘗試,否則你不會取得進步。