Only Perception: 來自於虛無的開斯米力

2008-01-26

來自於虛無的開斯米力

Forces out of nothing
http://www.physorg.com/news119200202.html

January 10, 2008

當機器發生故障，那是工程師的失誤 -- 或著，是物理學上的錯誤。後者至少在第一個簡單的奈米機器上是真的，這部奈米機器因為 Casimir effect（開斯米效應、卡西米爾效應）而慢下來。這種力只作用在幾百萬分之一公分的尺度下，而且會讓微小的機械零件緊黏一起。

來自於德國 Max Planck Institute of Metals Research 以及 Stuttgart 大學的科學家現在在二種液體的混合物當中觀察到相似的力。他們亦發現一種逆轉此力之效應的方法，所以這種阻礙應當可在未來的奈米機械中避免掉。這將使機器更進一步縮小化，並使得製造奈米等級的機械開關或感應器成為可能。

虛無（Nothing）來自於虛無。只有在物理學中這並非永遠正確。例如，二塊金屬板在真空中相距約半微米，且位於絕對零度中，彼此會使出某種神祕的吸引力。將二塊金屬板推在一起的力來自於真空中的量子力學波動 -- 所以來自虛無。這種波動代表電磁波當中的變化。這需要有個節點在二塊導電板的表面上。在板外，它們能毫無限制地伸展。這導致二塊板之間的吸引力。

物理學家 Hendrik Casimir 早在 1948 年就在理論中預測出這種效應；今日，這就是為何奈米機器當中的零件會彼此相黏的緣故。Clemens Bechinger，Stuttgart 大學的教授，同時在今年初也成為 Max Planck 的研究員，Christopher Hertlein 與其他職員，現在在一個擁有水與油性液體二甲基吡啶（lutidine）混合物的實驗中觀察到一個十分相似的力： critical Casimir force（臨界開斯米力、臨界卡西米爾力）。"此力如此微弱，故很難偵測到它，" Clemens Bechinger 說。然而，結果則與此值，Siegfried Dietrich，Max Planck Institute of Metal Research 的主任及其團隊在理論中的預測十分相符。現在，這些科學家共同發表這項結果。

critical Casimir force 之名得自於它發生在靠近臨界點之處這個事實，例如水與二基甲吡啶的混合物。在低溫之下，它形成一種乾淨的溶液。但如果此溶液加熱至攝氏約 34 度時，它會變成二層明確分離的混合物；物理學家指稱這裡有二相（phases）：一個具有很高的含水量，而另一個則有很高的二基甲吡啶含量。

發生這檔事的溫度稱為臨界溫度。如同水凝固成為冰那樣，這二相並不會在此臨界點突然形成。這更像是低於臨界溫度的區域在包含更多水或更多二甲吡啶的混合物當中形成。當溫度愈接近臨界點時，這些波動區域會變得愈大，它們保持完整無缺的時間也愈長（譯註：即二相分界愈明顯）。"水與二甲基吡啶波動在混合物不同部份裡集中的方式，類似於真空當中的量子力學波動，" Siegfried Dietrich 說。集中當中的波動應當以一種相似地方式在表面之間創造出一種吸引力。研究者現在證明這正好就是它們所做的事。

"我們觀察到一種直徑約 1 微米可塑球體（plastic sphere）漂浮在裝有二甲基吡啶與水的玻璃杯中，" Christopher Hertlein 說。溶液的溫度在起初遠低於臨界點。研究者接著將它逐漸加熱。當溫度距臨界溫度只有 0.2 度時，這個可塑球體往玻璃杯表面移動。

物理學家利用逐漸消失的光學場（evanescent optical fields），藉由讓它們可塑球體上散射，來決定此球體到達玻璃杯表面的距離。他們以銳利的角度將光照向玻璃杯中，故光線幾可完全反射。只有少量的光線滲入液體中。可塑球體的可及範圍有多大，以及這個被散射的部份，非常倚賴球體到玻璃表面的距離。

研究者成功地利用球體的距離來計算作用在其上的力。這相當微妙：這個微小球體移動相當迅速，因為它不斷與被加熱的液體分子碰撞。這個 critical Casimir force 也因此只以朝向玻璃表面之統計學上的光點（statistical blips）這種形式表明自身。

"我們只能夠偵測這些統計學上的光點，因為我們的測量方法比原子力顯微鏡（AFM）要敏感數千倍，" Clemens Bechinger 說，"這表示我們能在 1 飛牛頓（femtonewton）的範圍內測量。" AFM 測量此吸引力，此力施加到一個細微的測量臂上。利用光學測量法，Stuttgart 的物理學家現已確立critical Casimir force 總量只有 600 飛牛頓，那不到一隻跳蚤重量的百萬分之一。

然而，只有當玻璃杯與可塑球體都同時喜歡水或油時，此力才將球體推向玻璃杯表面。如果這二個表面被覆蓋住（coated），以致於二個表面當中只有一個偏愛油，critical Casimir force 會將球體從玻璃杯表面推離。接著擁有很多水的區域會形成一個表面，而另一個則會有很多油。然而，因為它吸收能量以在水相與油相間進行接觸，故此球體受到排斥。

"這是我們的理論性計算導致我們如此預期的效應，" Dietrich 說。研究者預期這個實驗性證明也許能提供在奈米機械中停止阻礙的可能性。

這些機械之所以會故障的原因之一就是因為量子力學真空波動的 Casimir force，這能使它們停頓下來。 "如果這些機器不會在真空中運作，而是在接近臨界點的液體混合物當中，那將可以被改變，" Siegfried Dietrich 說。這些機械零件可以受到塗佈（coated），故 Casimir force 將具有相斥的效應，這表示機器可以順暢運轉。這是 Dietrich 的理論小組與 Bechinger 的實驗小組想要在未來追求的目標之一。

※ 相關報導：

＊ Direct measurement of critical Casimir forces
http://www.nature.com/nature/journal/v451/n7175/abs/nature06443.html