四、量子卡西米尔效应联系霍金辐射 为啥卡西米尔的科学人生这么超前?名师出高徒,我们来说他的学习和工作 ──1931年他在荷兰莱顿大学获得了博士学位 ,是跟随著名科学家保罗·埃伦菲斯特(1880~1933)学习理论物理 ──埃伦菲斯特的科学人生也是业绩显赫,不局限于他经过长期的潜身研究所获取的诸多单项成果,而且还体现在他以极其敏锐的科学洞察力来审视一些物理学问题,并使得某些极其深奥的重要概念凸现出它们的明晰性和可理解性,从而带进了他的教学生涯,为确保荷兰物理学事业的传承与再创辉煌,立下了不朽的功勋。 1880年1月18日埃伦菲斯特生于奥地利的首府维也纳的一个犹太人家庭。1899年埃伦菲斯特以优异的成绩考入了维也纳工业大学,系统地学习了力学、矿物学、数学、分析化学实验等化学专业所开设的课程。此外他在维也纳大学还认真听取了资深的名教授玻尔兹曼的课,日后玻尔兹曼精神对他的影响也得到了淋漓尽致的发挥。1901年埃伦菲斯特又到了当时驰名全球的数学圣地德国的哥廷根大学求学,分别聆听诸如克莱因的力学和数学讨论课、希尔伯特的势能理论、弗格脱的电学和晶体光学、阿伯拉罕的光的电磁学理论和斯塔克的关于电离现象等的课程。1903年埃伦菲斯特来到荷兰的莱顿大学进行为期数周的访学和考察工作,有幸与洛伦兹相识、相知和相好。 埃伦菲斯特还利用这次访学的机会,拜访了莱顿大学的低温物理学家卡末林·昂内斯,并参观了他的低温物理实验室,从而使他初次接触到了低温物理这个当时被视为物理学研究的热点问题。这次访学还使埃伦菲斯特分别拜读克劳修斯、麦克斯韦和玻尔兹曼的经典论文,其中尤其是普朗克、吉布斯和爱因斯坦各自在他们的论文中所阐明的各种新观点,更使埃伦菲斯特深感耳目一新。1903年埃伦菲斯特回到了维也纳,立即拜访了从莱比锡重返维也纳大学工作的玻尔兹曼教授。随后在玻尔兹曼的精心指导下,以题为《液体中的刚体运动和赫兹力学》的论文顺利通过答辩,于1904年获得了博士学位。此后的一年多里,埃伦菲斯特夫妇在维也纳以1906年初出版的合著论文,指出吉布斯《统计力学》一书中的一个基本错误外,埃伦菲斯特夫妇还紧紧围绕着其他系列专题,诸如统计力学及其与量子力学的关系、相变理论等方面,进行了精心地探索和研究。 1906年埃伦菲斯特夫妇从维也纳来到了哥廷根,对玻尔兹曼于1875年所创立的著名的“H定理”进行了修正,使得玻尔兹曼试图要阐明的问题之本质特征变得直观、清楚和易于理解,又能使人们从对这一模型的分析中看到更多的东西。1906年埃伦菲斯特应《数学物理百科全书》主编、哥廷根的数学领头人克莱因之约,撰写其中的关于统计力学的“发展报告”部分,即《力学的统计方法概念之基础》的专论,于1908年完成了这个研究项目。早在普朗克发表量子论以后,埃伦菲斯特还是最先注意与深刻领悟到“量子”的特殊意义的科学家之一 ──1911年他在十分明确地指出早期量子论的主要特点的同时,还非常严格地证明了在空腔中,如果黑体辐射的能量是有限的话,那么电磁振动的能量只能发生不连续的改变。 1913年埃伦菲斯特在题为《玻尔兹曼的一个力学定理及其和能量子理论的关系》的论文中,叙述了他所说的浸渐关系式,对旧量子论的发展起到了很大的指导和推动作用。这可以说是横跨在经典物理学和量子力学之间的一座桥梁,是屹立在创建量子方程普遍方法的伟大征途上一个不可逾越的里程碑。埃伦菲斯特在理论物理学中的杰出贡献还远远不止这些。如他曾于1933年最先导出了用于研究“二级相变的基本方程”,该方程后来还在超导体的研究中,得到了描述转变点比热的跃变同临界场对温度的导数之间关系的“拉特格斯公式”。 如此等等,不一而足。1912年一直主持着荷兰莱顿大学物理系的洛伦兹退休,经爱因斯坦和洛伦兹本人的鼎力推荐,埃伦菲斯特荣幸地继任了洛伦兹的职位。在莱顿大学埃伦菲斯特除潜心地进行理论物理学的研究并相继创立了浸渐公式和以他名字命名的方程等以外,他还全身心地投入到物理教学中,深得他的弟子们的高度赞许。经过他的运筹帷幄和始终不懈地努力,终于为莱顿大学创立了一个举世瞩目的热烈讨论科学问题的中心。他在莱顿大学21年的教学生涯中,为荷兰培养新一代的科学精英立下了汗马功劳。其中有1946年当选为联合国原子能委员会的科学技术委员会主席的克喇末斯;有在低温物理学和磁学领域中作出了巨大贡献并获得第五届弗里兹·伦敦奖的戈特;有在超导领域颇有建树的卡斯密尔和拉特格斯等。但20世纪由于在希特勒攫取德国政权之后,犹太人备受迫害的恶劣气候,埃伦菲斯特于1933年9月22日自杀身亡,53周岁英年早逝 正是由于有埃伦菲斯特教授的指导和影响,卡西米尔1931年的博士论文,最早就涉及是关于量子力学中处理刚性旋转物体和旋转的分子理论。在此期间卡西米尔还抽一些时间,去哥本哈根在尼尔斯·波尔那里做研究。卡西米尔得到博士学位后,到苏黎世联邦理工学院担任沃尔夫冈·泡利的助理。1938年卡西米尔成为一个莱顿大学物理学教授,当时他积极研究热传导和电导,并为达到绝对零度出力。1942年第二次世界大战期间,卡西米尔搬到位于荷兰埃因霍温的飞利浦公司飞利浦物理实验室(NatLab),仍然是一个活跃的科学家,并在1945年写了一个关于微观可逆性的原则(即昂萨格倒易关系)的著名论文。 1946年卡西米尔成为飞利浦NatLab主任,1956年成为公司的董事会成员。卡西米尔在1972年从飞利浦退休。在此期间卡西米尔 尽管他大部分职业生涯花在工业上,但他依然是荷兰最伟大的理论物理学家之一 ──卡西米尔在1931年到1950年的研究中对科学做出了很多贡献,包括:纯数学、李氏群(1931);超精细结构,核四极矩的计算(1935);低温物理、磁性、热力学的超导体,顺磁弛豫(1935-1942);应用昂萨格的不可逆现象的理论(1942 -1950)。特别是1948年在飞利浦NatLab,卡西米尔与德克波尔德合作,预测了导体板之间的量子力学的吸引力。这被称为卡西米尔效应,此后对微型机电系统(MEMS)等领域的发展有着重大的影响。 但这个评价还不够,卡西米尔效应不仅是得到全世界长时间、多角度实验确认的理论与实践,我们认为“卡西米尔效应”还超前类似黑洞物理奇妙地把广义相对论(宏观),量子理论(微观)融合在一起,甚至它的宏观与微观之间的结合,比“黑洞”概念模型还更直观好理解、“触摸”。其次,还可以把“量子卡西米尔平板对效应模型”扩大延伸联系“霍金辐射”、“柯召-魏时珍猜想”等新时代需要认识、研究的很多重要的基础科学理论方面。 这里先说它与“霍金辐射”的联系。霍金在他1996年插图版的《时间简史》一书第七章中说:黑洞辐射是指黑洞外部附近的量子真空起伏,造成的一个粒子及其反粒子构成的成对粒子,在彼此湮灭并最终双双消失前,如果这种成对粒子在黑洞边缘附近形成,其中的粒子在被摧毁前可能掉入黑洞,那么这个粒子的反粒子则被搁浅在事件视界之外而从黑洞临近向无穷逃逸。这也被称为“霍金辐射”。这里霍金辐射有两个特点:A、必须是临近黑洞或“点内空间”的有“界限”环境。B、必须有处于“0”的实数或者虚数的物质量子起伏,即类似虚粒子变化──这似乎与“卡西米尔平板对效应模型”风马牛不相及,但这里如果黑洞看成一个“平板”,设为“1”;把在黑洞边缘附近的真空或空间设为“0”,也看成是与黑洞“平板”平行的一个“平板”,这不可以对应“量子卡西米尔平板对效应模型”了吗?
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