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负真空摩擦力:一种量子涨落的神奇效应,可使物体加速

科学探索万象经验2023-07-15

我们都知道,当两个物体有相对运动时,它们之间会有摩擦力,这种力会消耗能量并使物体减速。但是,如果两个物体之间没有接触呢?它们之间还会有摩擦力吗?答案是肯定的,这种力就是真空摩擦力。

真空摩擦力是一种量子效应,它源于真空中存在的电磁场涨落。这些涨落是由量子不确定性导致的,它们不断地在虚空中产生和湮灭。当一个物体运动时,它会扰动周围的真空涨落,并向外辐射电磁波。如果另一个物体靠近它,那么它就会感受到这些辐射,并对其产生反作用力。这个反作用力就是真空摩擦力,它总是与物体的运动方向相反。

真空摩擦力非常微弱,在日常生活中很难观察到。但是,在纳米尺度上,它可能变得重要,并影响纳米机器或量子信息处理等应用。因此,理解和控制真空摩擦力是一个有趣而有挑战性的课题。

那么,真空摩擦力是否总是减速物体呢?是否有可能存在一种与运动方向相同的真空摩擦力呢?这就是负真空摩擦力。

负真空摩擦力并不违反物理定律,只要满足能量和动量守恒就可以。为了实现负真空摩擦力,我们需要一个特殊的系统,它可以将真空涨落转化为其他形式的能量,并将其传递给另一个物体。这样,就可以使一个物体加速而不是减速。具体来说,我们考虑如下图所示的系统:

这个系统由一个旋转的硅球和一个覆盖了石墨烯的介质基底组成,它们之间有一定的距离。当硅球旋转时,它会激发真空涨落,并向外辐射太赫兹电磁波。这些电磁波会在石墨烯上激发表面等离激元,这是一种由电子和正空穴组成的准粒子。表面等离激元会沿着石墨烯表面传播,并与电磁波相互作用。