質(zhì)子大小的真空區(qū)所包的能量可能與整個(gè)宇宙中所有物質(zhì)所含的能量一樣多
去年,美國芝加哥伊利諾伊大學(xué)電氣工程教授喬丹?麥克萊得到了國家航空和宇航局為他研究真空能量提供的經(jīng)費(fèi)。他的研究項(xiàng)目是位于俄亥俄州克利夫蘭的國家航空和宇航局格倫研究中心“突破性推進(jìn)物理學(xué)”計(jì)劃的一部分。該計(jì)劃的目標(biāo)是尋找有可能為航天器提供動(dòng)力的新的推進(jìn)方法。他的計(jì)劃是制造一臺(tái)微型機(jī)器,對這種真空能量及其產(chǎn)生的動(dòng)力進(jìn)行測量。如果一切進(jìn)展順利的話,麥克萊有可能抓到一條巨大無比的魚。他希望能找到一種利用這種動(dòng)力的辦法,讓它們?nèi)ネ瓿芍T如驅(qū)動(dòng)微型活塞、加熱冷水乃至為航天器提供動(dòng)力等。
大多數(shù)人認(rèn)為,真空是空蕩蕩的。但是,根據(jù)量子電動(dòng)力學(xué)(一門在非常小的規(guī)模上描述宇宙行為的理論),沒有比這種觀點(diǎn)更加荒謬的了。實(shí)際上,真空中到處充滿著稱作“零點(diǎn)能”的電磁能,這正是麥克萊希望加以利用的能量�!傲泓c(diǎn)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(tài)),部分能量就可能保留下來。實(shí)際上,這種能量是相當(dāng)多的。物理學(xué)家對究竟有多少能量仍存在分歧,但麥克萊已經(jīng)計(jì)算出,大小相當(dāng)于一個(gè)質(zhì)子的真空區(qū)所含的能量可能與整個(gè)宇宙中所有物質(zhì)所含的能量一樣多。
1948年,荷蘭物理學(xué)家亨德里克?卡西米爾提出了一項(xiàng)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(tài)出現(xiàn),并不斷以微小的規(guī)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(rèn)為,如果使兩個(gè)不帶電的金屬薄盤緊緊靠在一起,較長的波長就會(huì)被排除出去。接著,金屬盤外的其他波就會(huì)產(chǎn)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(qiáng)。1996年,物理學(xué)家首次對這種所謂的卡西米爾效應(yīng)進(jìn)行了測定。
麥克萊希望再前進(jìn)一步,并在威斯康星州里奇蘭成立了量子場公司,以發(fā)展自己的設(shè)想。他和另外一些科學(xué)家對卡西米爾效應(yīng)產(chǎn)生的排斥力和吸引力進(jìn)行了計(jì)算。麥克萊分析的重點(diǎn)不是金屬盤,而是微型金屬盒。麥克萊稱之為“空腔”。金屬盒的每個(gè)面均不超過1微米。實(shí)驗(yàn)證明,卡西米爾力及其方向取決于空腔的形狀。他說:“如果一個(gè)空腔的形狀與比薩餅盒相同,那么對金屬盒兩個(gè)寬面的壓力會(huì).使它們靠攏,但對兩個(gè)窄面的壓力會(huì)使它們互相分離。麥克萊發(fā)現(xiàn),這種空腔最有趣的地方是它又長又薄,大小與一個(gè)大腸桿菌不相上下。這種空腔的一個(gè)重要特點(diǎn)是其中一個(gè)寬面處于完全平衡的狀態(tài):內(nèi)向與外向真空壓力完全相等。不過,這是一種脆弱的平衡。這恰恰是它讓人感興趣的地方。
麥克萊打算制造一個(gè)處于平衡狀態(tài)的一面(稱為盒蓋)可以自由移動(dòng)的金屬盒。倘若盒蓋從平衡點(diǎn)向內(nèi)略微移動(dòng),空腔內(nèi)的真空壓力將下沉,盒蓋將進(jìn)一步向內(nèi)收縮。倘若盒蓋向外移動(dòng),則結(jié)果正好相反,盒蓋向外擴(kuò)張。由此產(chǎn)生的位移是非常小的,不到100毫微米。盒蓋將被吸附在一條微型彈簧上。因此。當(dāng)盒蓋移動(dòng)時(shí),微型彈簧會(huì)被拉長或縮短,并且往往會(huì)返回原處。麥克萊希望,通過小心翼翼地使空腔的真空壓力和彈簧的彈性力保持平衡。并恰到好處地向盒蓋施放初始脈沖,他能夠制造出一個(gè)由卡西米爾力驅(qū)動(dòng)的微型振蕩器。
麥克萊打算分幾個(gè)步驟攻克這一難題�?ㄎ髅谞柵懦饬σ恢蔽幢粶y定,因此他的首要任務(wù)是看一看自己是否能完成此項(xiàng)工作。第二步是對形狀不同的空腔表面上的內(nèi)向力和外向力進(jìn)行測定,觀察它們是否與預(yù)測值相符。如果一切順利,他將準(zhǔn)備制造一個(gè)共振空腔。
制造實(shí)驗(yàn)性裝置的工作交給曾擔(dān)任微電子機(jī)械光學(xué)儀器公司的總裁和原子能工程師的羅德?克拉克來完成。該公司是一家制過微電子機(jī)械設(shè)備的公司。為了用硅制造出麥克萊的空腔,克拉克希望采用把傳統(tǒng)的平版蝕刻技術(shù)與淀積技術(shù)結(jié)合起來,這項(xiàng)技術(shù)過去用于制造集成電路。
麥克萊和克拉克目前的計(jì)劃是,在基片上制造一排由數(shù)百空腔組成的無蓋空腔,然后制造一個(gè)以蓋住整排空腔的蓋盒。這個(gè)蓋盒將懸掛在整排空腔上方的彈簧上,并一點(diǎn)點(diǎn)移向蓋盒。最初蓋盒應(yīng)保持不動(dòng),但當(dāng)空腔靠近到足夠近的位置時(shí),真空壓力差異會(huì)引起蓋盒移動(dòng),甚至可能產(chǎn)生振動(dòng)。透過顯微鏡仔細(xì)觀察蓋盒的表面,可以測出蓋盒的位移,而且精確度極高。
他倆希望在享受國家航空和宇航局資助的三年內(nèi)能制造出三代裝置。
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