负能量简介

负 能 量 简 介 许 呆呆 (中国科学院 北京 100090) 负能量(Negative Energy) 意味着负质量. 第一 位探讨负物质的科学家就是稳恒态宇宙论的创始人 之一英国天文学家邦迪 (H. Bendi) . 他在 1957 年就 证明了:负物质以一个恒定的不断增加的速度追逐 正物质的概念是与广义相对论一致的. 有人猜想, 20 世纪 80年代末期发现的几乎没有星系存在的直径 达1亿光年(我们银河系的直径约为 8万光年) 大小 的宇宙巨洞可能是由同等数量的负物质和正物质粒 子形成的.巨洞中的负物质粒子互相排斥,力图相距 越远越好, 同时将正物质粒子推向洞壁, 在那里, 正 粒子互相吸引, 从而形成星系、恒星、行星以及生 命[ 1~ 2] . 负能量的一个典型例子是物理工作者熟知的卡 西米尔效应: 1948 年, 荷兰物理学家卡西米尔( H. Casimir) 曾预言, 将两块不带电的金属平板以极小 的间距( 1毫米的几分之一) 平行地置于真空中时, 两板间会产生使它们互相靠拢的某种很微弱的力. 此后,近半个世纪,企图测量这一效应的种种尝试均 以失败告终. 1996年,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室 的物理学家拉蒙雷奥斯( S. Lamoreaux) 给出了肯定 的结果:他将一扭摆连接到两板的表面去测量这一 极其微弱的力. 得出的数值与卡西米尔的理论预言 符合得很好, 误差在 5% 以内. 实测结果表明, 卡西 米尔力会随两板的间距而变化,当间距为 0. 75微米 时,相互作用的力约为十亿分之一牛顿[ 3] . 按照量子力学, 真空的空间并非真的空空如也, 而是存在着忽生忽灭波动的虚光子和其他虚粒子, 但只有波长短于两板间距的波动才能在板间和板外 同时形成,如图 1所示.由于板外的真空涨落强于板 间,其结果产生的净效应逐渐地,不可逆转地将两板 越拉越近[ 4] .理论计算也表明金属板间的能量密度 为负值(即一个空间区域可以比空无一物还要空, 其 单位体积的能量可以小于零) ,这是由于平行平板降 低了两板间空隙中的真空涨落, 因而产生了负能量 和压力,使两板互相靠拢, 间隙越窄, 能量和压力越 偏向负值,金属板之间的吸引力越强[ 5] . 图 1 卡西米尔效应 图 2 另一个负能 量的例子如图 2 所示:广义相对论 告诉我们, 若将两 块物体 (如两石 块) 在非常准确 的天平上称量时, 将两者放得稍分 开一些比两者紧 靠着时, 所称出的 质量要稍大一些. 这是由于两石块间轻微的吸引力, 当两者紧靠在一起时所贡献的负能量(即负质量) 所致[ 4] . 更多有关负能量的知识,请参阅文献[ 5] . 参 考 文 献 1 R. Forward. 稀奇的负物质.物理通报, 1991( 1) : 31 2 天文学家发现宇宙超级/ 空洞0 .物理通报, 2007( 9) : 23 3 Howard Baker. Fifty years on and the force is with us at last. New Scientist ( 25 January 1997) , 16 4 Robert Naeye. Defying Common Sense. Sky & Telescope ( Nevember 2006) 39 5 Lawrence H. Ford, Thomas A . Roman 著, 刘盛全译. 冉隆华 校. 负能量. 虫洞与扭曲推进. 科学 ( 月刊) Scientific American 中 文版 2000( 5) : 1 ~ 7[ 原文 载 Scientific American ( January 2000) 46 ~ 53] )57) 2008年第 3期 物理通报 知识介绍