卡西米爾效應（英語：Casimir effect）是由荷蘭物理學家亨德里克·卡西米爾（Hendrik Casimir）於1948年提出的一種現象，此效應隨後被偵測到，並以卡西米爾為名以紀念他。其根據量子場論的“真空不空”觀念——即使沒有物質存在的真空仍有能量漲落，而提出此效應：真空中兩片中性（不帶電）的金屬板會出現吸力；這在經典理論中是不會出現的現象。這種效應只有在兩物體的距離非常之小時才可以被檢測到。例如，在亞微米尺度上，該效應導致的吸引力成為中性導體之間主要作用力。事實上在10奈米間隙上（大概是一個原子尺度的100倍），卡西米爾效應能產生1個大氣壓的壓力（101.3千帕）。一對中性原子之間的范德瓦耳斯力是一種類似的效應。

中文名

卡西米爾效應

外文名

Casimir effect

提出者

亨德里克·卡西米爾

提出時間

1948年

適用領域

量子電動力學

快速

導航

真空能量

計算

原理

理論特點

研究進展

概論

卡西米爾效應在理解上，可以看為金屬導體或介電材料的存在改變了真空二次量子化後電磁場能量的期望值。這個值與導體和介電材料的形狀及位置相關，因此卡西米爾效應表現就成了與這些屬性相關的力。[1]

真空能量

卡西米爾效應是量子場論的自然結果；量子場論陳述了所有各式各樣的基本場—例如電磁場—必須在空間中每個點且處處被量子化。採單純的觀點來說，物理場可以想作是充滿空間的振動球，之間以彈簧相連線。場的強度可以看作是球偏離其平衡位置的位移。場的振動可以傳播，並由對應於此特殊場的適當波方程所主導。量子場論的二次量子化程式要求球與彈簧的組合是呈現量子化的，也就是說場強度在空間中每一點被量子化。正則式地（Canonically）來說，空間中每點的場是個諧振子，量子化則成了每點有個量子諧振子。場的激發則對應到粒子物理學中的基本粒子。然而，這樣的影象會顯示出：即使是真空也有極其複雜的結構。所有量子場論的計算都須與這樣的真空模型有所關聯。

真空因此暗地裡具有了一顆粒子所擁有的全部性質：自旋，或光的極化，以及能量等等。若作平均，這些性質會彼此相銷而得到零值——真空的“空”是以這樣的概念維持著。其中一個重要的例外是真空能量或能量的真空期望值。簡諧振子的量子化過程指出存在有一個最低的能量值，稱作零點能量，此值不為零：

。

計算

卡西米爾所做的研究是針對二次量子化的電磁場。若其中存在一些大塊的物體，可為金屬或介電材料，做成一如經典電磁場所須遵從的邊界條件，這些相應的邊界條件便影響了真空能量的計算。

舉例來說，考慮金屬腔室中電磁場真空期望值的計算；這樣的金屬腔例項如雷達波腔或微波波導。這樣的例子中，正確找出場的零點能量的方法是將腔中駐波能量加總起來。每一個可能的駐波對應了一種能量值；例如，第n個駐波的能量值是{\displaystyle En。腔室中電磁場的真空期望值則為：

此和是對所有可能駐波的n加總起來。1/2的因子反映出被加總的是零點能量（此1/2與方程的1/2相同）。以這樣方式寫出，很明顯地和會發散；然而也是可以將它寫成有限值的表示。

特別來說，可能會有人問為何零點能量會和腔室形狀s相依？原因是：每個能級 En都和形狀相依，因此應該將能級以及真空期望值寫成形狀s的函式。再此可以得到一項觀察：在腔室壁上每個點p的力等同於壁形狀s出現攝動時的真空能量變動，這樣的形狀攝動可寫為，是位置點p的函式。因此得到：

卡西米爾效應

簡單地說，卡西米爾效應(Casimir effect)就是在真空中兩片平行的平坦金屬板之間的吸引壓力。這種壓力是由平板之間空間中的虛粒子(virtual particle)的數目比正常數目減小造成的。

大多數人認為，真空是空蕩蕩的。但是，根據量子電動力學（一門在非常小的規模上描述宇宙行為的理論），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，這正是麥克萊希望加以利用的能量。“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。物理學家對究竟有多少能量仍存在分歧，但麥克萊已經計算出，大小相當於一個質子的真空區所含的能量可能與整個宇宙中所有物質所含的能量一樣多。

1948年，荷蘭物理學家亨德里克·卡西米爾(Hendrik Casimir, 1909-2000)提出了一項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，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，但卡西米爾認為，如果使兩個不帶電的金屬薄盤緊緊靠在一起，較長的波長就會被排除出去。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，這種現象就是所謂的卡西米爾效應。1996 年，物理學家首次對它進行了測定，實際測量結果與理論計算結果十分溫和。