光学显微镜用法真正的真空可能不像你想象的那

大家好，这里是老上光显微镜知识课堂，在这里你可以学到所有关于显微镜知识，好的，请看下面文章： 谈到真空的概念，从汉语的字面意义来看，它似乎是空的。然而，在物理学中，这个看似空洞的概念却有着非常丰富的内容。下面我们将追溯到物理学中真空概念的非常有趣和重要的理论和实验探索。特别是在以量子力学为基础的现代物理学中，不难发现真空的概念与空间、物质、能量等最基本的物理概念密切相关。对真空的研究往往是物理学中最深刻、最令人困惑的基本问题，也许真空是对其更好的诠释。
    
     19世纪中叶，麦克斯韦建立了电磁学理论：经典电动力学，进一步指出光是一种电磁波，电磁波在空间中以光速传播。当时，物理学家主要是从声波和水波中成像波，如空气压缩可以形成声波，水振动可以形成水波。因此，直观地说，波动需要依赖于一定的介质。由于电磁波可以通过空间传播，所以物理学自然而然地认为，一种特殊的介质，称为醚，贯穿整个空间，电磁波是由醚的振动形成的，这在当时的物理世界中可以看成是真空概念的普遍观点，即真空中充满了醚。
    
     19世纪末，的迈克尔逊-莫雷实验利用光的干涉效应来测量醚，如果存在这种醚，根据牛顿力学的速度叠加原理，光的传播速度稍有不同。当时，迈克尔逊-莫雷实验已经达到了很高的测量精度，但是实验没有观察到预期的光速差异。开尔文爵士（Sir Kelvin）是物理学上遥远晴朗的天空中的两朵令人不安的乌云之一，因此它已成为物理学界的一大难题。
    
     1905年，爱因斯坦提出了狭义相对论，它有两个基本原理：相对论原理和光速恒定原理。迈克尔逊-莫雷实验完全可以在不引入醚的情况下解决。电磁场本身就是一种物质。电磁波是这种物质的运动形式之一。它可以在空间中传播而不依赖于诸如醚的介质。
    
     爱因斯坦的相对论给古典的以太概念以致命的打击，放弃了古典的以太论。有趣的是，在他晚年，为了统一场论，爱因斯坦特别喜欢以太的概念，他亲切地称之为我们的以太。可见，虽然经典的以太概念是不正确的，但新的以太概念必将在物理学的基本问题中占有举足轻重的地位。
    
     二十世纪，有两个伟大的物理革命：相对论和量子力学。从黑体辐射的研究开始，Lord Kelvin提到的两个乌云中的另一个，许多物理学家，如普朗克、玻尔、海森堡、薛定谔、玻恩、波利等等。建立了微观世界的理论：量子力学，那时，量子力学中的基本运动方程薛定谔方程不满足Lorentz变换下的协方差，也就是说，它是一个非相对论方程。
    
     1927年，狄拉克用四分量波函数描述电子，提出了一个满足相对论协方差的量子力学方程狄拉克方程，该方程可以说是量子力学与相对论相协调的成功尝试，它可以因此，自然推导出电子自旋的结果，这被公认为是现代理论物理的一大成就。
    
     然而，狄拉克方程也预言了一个非常有趣和令人困惑的结果：狄拉克方程的解不仅有正能量电子，而且有负能量电子。我们如何理解这些负能量电子狄拉克又一次利用了真空的概念。如图1所示，狄拉克认为真空是所有负能量的状态，并且根据波利的不相容原理，每个负能量状态都被电子占据。真空可以看作是充满电子的海洋。在所有负能量中，具有正能量的电子在该表面上移动。
    
     这种真空是电子海的图像，这很令人惊讶。如果高能伽马射线进入电子海，一个电子将被激发到海面，一个空穴（相当于一个在真空中运动的带正电荷的电子）将被留在电子海中。安德森(C.安德森)在宇宙射线辐照的云室中，发现了一个带正电荷的电子，正电子的质量与电子的质量相同，这非常有利于支持狄拉克的理论预测。因此，狄拉克和安德森在1933年获得了诺贝尔物理学奖。分别为1936和他们的创业。
    
     我们看到真空的概念在这里有了飞跃。形象地说，以太的概念又回来了，不过是以电子海的形式。
    
     电磁场是最常见的场，薛定谔方程和狄拉克方程也讨论了微粒与电磁场的相互作用，但电子是量子化的，电磁场是经典的。EN电子和电磁场应该被完全量化。
    
     20世纪中叶，施温格、费曼、托莫纳加·詹尼希罗建立了电子与电磁场相互作用的量子电动力学理论，量子电动力学是一种量子场。理论。电子场的激发和激发消失，对应于电子的生成和湮灭，而电磁场的激发和激发消失，对应于光子的生成和湮灭。电子之间的s可以用图像Feynman图表示：电子发射一个虚拟光子，然后被另一个电子吸收，因此两个电子通过交换虚拟光子相互作用。直接观察到，所有粒子的中间过程，存在很短的时间，称为虚粒子。
    
     有趣的是，真空的概念再次在这里扮演着重要的角色。如图2（b）所示，这是一个高阶过程。电子发射的虚拟光子可以转化成一对虚拟正电子和正电子，它们被湮没并重新转化成一个。虚光子这个虚拟过程（图2（b）中的圆圈）被称为真空极化。
    
     可以看出，在量子电动力学的世界中，电子似乎在真空中运动，事实上，在真空中有大量的虚拟光子、正电子和正电子对。通过真空涨落。
    
     真空起伏引起电子自能的微小变化，一般只改变MHz（微波频带）。美国物理学家兰姆·W·微波技术被用来测量氢原子中电子的更低激发态2s12，2p12。发现真空涨落会引起电子能级的微小变化，称为兰姆位移。
    
     真空涨落也会屏蔽电子自旋。美国物理学家库什(P.Kusch)用磁共振技术测量了电子磁矩，发现真空涨落会使电子磁矩偏离简单的玻尔磁子ae=(g-2)2，称为玻尔磁子。磁矩异常
    
     与量子电动力学相比，兰姆位移的理论值为1057.864MHz，实验测量值为1057.862MHz，电子异常磁矩的理论值为AE=1159651.7×10-9，实验测量值为AE=1159656.7。x10-9.理论和实验可以达到惊人的精度。量子电动力学可以说是物理学中最成功的理论之一。Feynman和其他三人获得了1965届诺贝尔物理学奖，兰姆和Kush获得了诺贝尔物理学奖1955项。
    
     我们看到真空的概念在这里再一次被丰富了。形象地说，这里的真空是虚拟光子和正负电子对的海洋。
    
     量子电动力学是粒子与电磁场相互作用的量子理论。基于真空涨落的电子能级偏移和异常磁矩的预测已被高精度地证实，但是这些效应通常是真空丰富物理含量的间接反映。真空有直接的观察效果吗这是一个有趣而重要的问题。
    
     1948年，荷兰物理学家卡西米尔提出，在真空中，两个平行的中性导体板之间存在一个弱的吸引力，称为卡西米尔效应。显然，在经典电动力学中，两个不带电的中性导体板之间没有力。在量子电动力学中，电磁场可以量子化为各种能级的振荡器。两板之间的真空，量子电动力学的基态，本质上是谐波振荡器的集合。可以计算两个板之间的相互作用力，即卡西米尔能量对板间距离的导数。
    
     Casimir效应是真空的量子力学效应，但其信号很弱，对于两块1cm 2平行金属板，在距离只有1微米、真空吸引力只有10-7N的情况下，测量如此小的力是一个巨大的实验挑战。
    
     实验物理学家在高精度扭转摆和原子力显微镜测量卡西米尔力方面已经取得了一系列进展。最新的突破是在2011年，瑞典的研究小组用两个超导微波腔镜作为两个板，使用MI。测量Casimir效应的光子测量。
    
     在自然界中有四个基本的相互作用，其中电磁相互作用建立了它的量子理论，量子电动力学。受量子电动力学的巨大成功的启发，物理学家已经开始探索如何建立其他相互作用的量子理论。
    
     在量子场论中，每个粒子对应于一个场。粒子是场的量子。场可以用包含时空坐标的函数来描述。场函数满足从拉格朗日量导出的运动方程，并决定场或粒子的运动。有趣的是，量子规范场论具有一些特殊的对称性。在规范变换下，拉格朗日量是不变的，由此导出的运动方程是不变的，因此在规范变换下，场或粒子的运动定律保持不变。局域U(1)的均匀性，而弱相互作用的量子理论满足局域SU(2)的范数不变性。20世纪60年代，三位杰出的理论物理学家：S.Glashow、Weinberg、Salam(A)建立了弱相互作用与电磁场的统一量子理论。满足SU（2）＊U（1）范数不变性的相互作用。
    
     然而，这种看似宏伟的量子理论遇到了根本的困难：规范不变性要求这些粒子没有质量。这个悖论困扰物理学家很长时间，而且有趣的是，真空不空的概念再次导致了突破。
    
     1961年，日裔美国理论物理学家Minabe Youichiro(Y.Nambu)提出拉格朗日量具有某种对称性，但系统的基态或真空态不具有这种对称性，称之为真空对称自发破缺。磁铁有许多小磁针，当温度较高时，这些小磁针的取向是任意的，整个磁铁具有空间旋转不变性，即没有特殊的取向。拉格朗日描述磁体的空间旋转是不变的，但是由于更低能量的基态或真空态变为零，整个系统的对称性被打破。自发磁化的状态。
    
     在此基础上，在1964，英国理论物理学家希格斯等人。提出如果存在与规范场耦合的复标量场(Higgs场)，则当真空态自发地破坏对称性时，规范场粒子可以获得质量，如图3(b)所示。粒子称为Higgs粒子。
    
     由于真空对称性自发破缺的机制在粒子物理中扮演着重要的角色，寻找希格斯粒子一直是实验物理学家的梦想。2012年，欧洲核中心的科学家宣布在大型粒子中发现希格斯粒子。强子对撞机，完美地解决了这个问题。温伯格和其他人赢得了1979年的诺贝尔物理学奖，南方赢得了2008年的诺贝尔物理学奖，希格斯和其他人赢得了2013年的诺贝尔物理学奖。
    
     质量的起源是物理学中最基本的问题之一，我们惊讶地发现真空在这里起着基础性的作用。宇宙中充满了希格斯场，它带来了万物的质量，也许这个真空的更佳概括就是存在。一无所获。
    
     二十世纪初，物理学家发现了原子的结构：核电子和额外的核电子。进一步发现原子核由质子和中子组成，质子和中子由夸克和胶子组成。这些基本粒子通过自然界中四种相互作用中的一种结合在一起，即强相互作用。
    
     20世纪70年代，美国理论物理学家Wilczek（F）Wilczek，Grand（D.Grand），波利特（D），波利策等。利用SU(3)的归一化对称性建立了强相互作用的量子理论——量子色动力学，该量子理论预言，当核中的两个夸克非常接近时，它们就像自由粒子，称为渐近自由。在高能区解释了核物理实验，并取得了巨大的成功。三位理论物理学家2004也获得了诺贝尔物理学奖。
    
     夸克是具有部分电荷的基本粒子，完全与原子核结合。这种现象被称为夸克禁闭，如何解释这种现象被认为是20世纪物理学中两个尚未解决的重大问题之一。里昂。
    
     一个启发性的例子是我们熟悉的超导性。超导体有两种自由度，电的和磁的。如图4（a）所示，超导体对中的电荷在低温下冷凝。超导体的基态或真空态是这些电荷的凝聚相，此时，磁场不能穿透超导体，这称为完全反磁性，即Meisner效应。
    
     类似地，图4（b）示出夸克、有色电和有色磁性的两个自由度。在低能量下，核中夸克的磁自由度发生并凝聚。原子核的基态或真空态是这些自由度的凝聚相。此时，电场不能穿透原子核，称为完全电阻率，也就是说，电力线被挤压在原子核内部，不允许电荷自由释放，所以qu方舟是完全绑定到细胞核内。
    
     此外，正如水具有许多相，如固体、液体、气体等，相变可以通过温度变化而发生。如图5所示，夸克限制是由于真空在较低能量下处于凝聚相这一事实。当原子核以非常高的速度碰撞时，它相当于非常高的能量，那么真空可能经历相变，形成夸克-胶子等离子体的新相。这个真空相变过程是布鲁克海文实验室的相对论性重离子对撞机的目标。目前，量子色动力学中的真空研究正在如火如荼地进行。如果在实验中能清楚地看到真空相变的证据，这将是真空概念乃至物理学的重大突破。
    
     二十世纪，物理学的更大成就是量子力学的建立，量子力学不仅为原子物理学、粒子物理学和凝聚态物理学等现代物理学的分支打下了坚实的基础，而且促进了物理学的诞生和发展。量子信息学是20世纪末兴起的量子力学与信息科学的交叉学科。其中，量子计算、量子通信和量子精度测量将为未来信息社会带来新的动力。
    
     量子信息的基本单位是量子比特，它具有两个基本状态：0和1。量子位可以处于这两种状态的任何叠加状态，正是这种叠加赋予了量子位的自然并行性，在量子信息处理中可以带来强大的资源。关于基础物理的问题
    
     物理学中最基本的问题之一是如何统一基本粒子和四个基本的相互作用。简言之，最基本的问题是理解万物的起源。目前，粒子物理学中的所谓标准模型，包括弱电统一量子理论和量子色动力学，基本上涵盖了除了重力之外的三个相互作用。Riess仍然是一个尚未解决的主要问题。
    
     中国物理学家文小刚在这方面进行了有益的探索。如果把空间看成是量子位的海洋，那么基本粒子就可以看成是海洋中的波和涡。海洋中的各种次序，即无数量子的各种集合和结构。位将决定各种基本粒子的性质和各种基本相互作用的规律。
    
     如果这些量子位类似于水分子，那么量子位的长程纠缠就像一串水分子，它充满整个空间，被称为弦流体。整个量子位的海洋可以看作是弦网络的海洋。如图6所示，有海洋中的波，弦密度波，它满足麦克斯韦运动方程，电磁波。弦的末端满足费米统计和电荷量子化，即电子。这样，电子，光子和其他基本粒子，电磁相互作用。是从它产生的，可以得到光和电的统一起源！
    
     文小刚认为，真空是量子位的海洋，它是以太论的一种新形式——量子以太论。这种量子醚可以从各种基本粒子、各种基本相互作用中产生，给出万物的起源！当然，这个量子醚论只是几个大统一理论中的一个，而且没有直接的实验预测或证据。但是，这个量子醚的新观点无疑是对真空的丰富物理内容的光辉补充。正因为物理学的基本问题总是与真空密不可分，所以尽管拒绝了经典的量子醚概念，但量子醚的概念将始终起着不可或缺的作用。我的形式。
    
     20世纪20年代量子力学的诞生为微观世界打开了一扇大门，通常被称为量子力学的次革命。量子力学具有一些特殊的性质，如波函数的概率振幅、波粒二象性、薛定谔猫、量子等。M纠缠，等等，被这些奇怪的品质包围着，有各种各样的疑惑和解释。
    
     1935，爱因斯坦等人。提出所谓的EPR(Einstein-Podolsky-Rosen)思想实验：设想两个自旋1/2粒子A和B，形成纠缠态|A|B+_A|B，并置于彼此远离的两个位置。在没有测量的情况下，B粒子有50%的机会向下或向上自旋。当测量粒子A时，如果结果是自旋向上，那么粒子B将是自旋向下，概率为；如果结果是自旋向下，那么粒子B将是自旋向上，概率为。le似乎受A粒子的测量控制（注意，没有信息传输这样的东西）。
    
     本质上，这种处于量子纠缠态的粒子，虽然在空间上相距遥远，却具有量子相关性，这被称为量子非局域性。这种思想实验进一步启发了贝尔(J.Bell)提出了贝尔不等式，并将这些意识形态实验付诸实践。自20世纪70年代以来，物理学家已经用各种量子系统进行了实验，包括法国学者Aspector(A.Aspect)对光子对的实验给予了极大的关注。2015年，荷兰研究小组利用t.电子自旋在两个1.5公里钻石色心。
    
     爱因斯坦和玻尔之间的这场学术辩论揭示了量子世界的更深更根本的本质：量子非局域性。可以想象，正如对黑体辐射的深入研究导致了量子力学的次革命，对奇异p这些量子世界的性质将导致量子力学的第二次革命！
    
     在次量子革命中，物理学家们主要问该怎么做，即量子力学已经被应用到各个领域，并取得了丰硕的成果。例如，通过对薛定谔猫问题的研究，我们探索了量子世界与经典世界的边界，除了传统的波包坍缩解释和解相干过程解释之外，还有什么令人满意的量子测量理论吗什么是微观宇宙的基本理论，即量子力学理论和非局域隐藏变量
    
     特别是量子力学的一个最特殊的性质：量子非局域性，它的根源是什么我们相信真空概念的发展可以为这个问题的答案提供一个可能的机会。
    
     一个可能来自所谓的Er= EPR猜想。如图7（a）所示，广义相对论预言有一个通道连接两个不同的时空区域，即ER（Einstein Rosen）桥，视觉上由虫洞代表。2013，美国学者提出黑洞可能。通过虫洞与另一个遥远的黑洞纠缠，即虫洞和纠缠态是等价的，ER＝EPR。也就是说，量子纠缠可以看作是连接两个区域的时间结构。
    
     一种可能性是我们大胆的猜测：如图7(b)所示，真空不是空的，充满了量子醚。这种遍布整个空间的醚自然具有非局域相关性，这是量子非局域性和量子纠缠的起源。爱因斯坦和格罗默试图从广义相对论的真空场方程推导出量子力学的不确定性，我们假设也许我们可以构造一个量子醚模型，从中我们可以导出量子纠缠的关系。
    
     回顾真空概念的发展和现代物理学的伟大成就是非常有启发性的。二十世纪初，Lord Kelvin认为灿烂物理学有两个乌云：黑体辐射和Michael Sun Morley实验，尤其是尖锐的冲突。经典物理学中的后一层和以太层代表了人们对真空的认识的飞跃，并成为现代物理学诞生的源头之一。
    
     21世纪初，的理论物理学家李正道先生认为物理学有两个难题：一是对称性的丧失，如电荷和宇称反转不变性的破坏，二是不可见的q。夸克（夸克禁闭）李正道先生认为，这两个问题都与真空的特性有关。如前所述，真空的对称性自发地破裂，导致对称性破坏。真空是电阻率的理想介质，也可以解释夸克禁闭。李正道先生认为，挖掘真空的本质将有一个非常深刻的理解，从而带来物理学的革命性突破。
    
     此外，我们认为，20世纪初对微观世界的探索导致了量子力学的次革命。量子力学是最成功的物理理论，并取得了丰硕的成果。RTH。
    
     到了21世纪初，随着量子信息学的诞生，物理学家不仅可以研究量子力学能做什么，而且可以问为什么。的国际学术期刊《自然-物理》在2014年出版了一本关于量子力学基本问题的研究专集，明确指出第二次量子力学革命的号角已经敲响。正如我们在这篇文章中所解释的，对量子真空的研究可能为我们揭开量子世界的内在奥秘提供一个新的机会。
    
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