范德华力和卡西米尔效应

1948 年，物理学家亨德里克・卡西米尔在荷兰埃因霍温的飞利浦研究实验室工作，他正在研究胶体的特性。当时人们认为，这些材料的特性由范德华力决定，这种力是存在于中性原子和分子之间的远程吸引力。1873 年，范德华引入了分子间力的概念，但没有从理论上解释它。然后在 1930 年，弗里茨・伦敦率先用非相对论量子力学解释了分子间作用力。

但是，卡西米尔意识到，用于解释范德华力的理论无法正确解释他在胶体上获得的实验测量结果。随后，卡西米尔与德克・波德 (Dirk Polder) 合作，找到了包含相对论效应的分子间力的简单表达式。他们的结果是伦敦-范德华力的推广，包括由于光速有限造成的延迟.

卡西米尔对结果的简单性很感兴趣，他试图寻找更简单的解释。在与尼尔斯・玻尔交谈后，他提出这可能与真空能有某种关联。卡西米尔发现，当分子被完美导电板取代时，基于真空能量的计算会进一步简化。其想法是，当两个不带电的导电板被放置在相距几纳米的真空中时，就会产生一个吸引力。

在量子真空中，电磁涨落作为间歇性电磁模式出现和消失，在自由空间中跨越无限波长范围。在两个板之间，较大的波长不会存在，由两个板之间的间隙形成的光学腔限制了腔内可能存在的模式数量。于是外部的波与内部的波之间存在的差异，产生了将它们向内推的有效净力。

由于这种力随距离增加迅速衰减，因此只有当物体之间的距离非常小时才能测得到。在亚微米尺度上，这股力量变得如此强大，以至于它成为不带电导体之间的主导力。当间距大约是原子典型尺寸的一百倍时，卡西米尔效应产生相当于大约一个大气压的压力。

卡西米尔最初的目标是计算可极化分子之间的范德华力。1956 年叶夫根尼・利普希茨发现了一个计算非理想导体板间范德华力的一般理论，并且能够证明 卡西米尔力只是一种特殊情况。1975 年，施温格发现了另一种计算卡西米尔力而不参考真空能量的方法。然后在 1997 年， 史蒂夫・拉莫洛克斯定量测量了该力，误差在理论预测值的 5% 以内。

通常，高能物理学家将卡西米尔力视为一种源自真空能量的力。但在凝聚态物质界中，更流行的观点是它与范德华力具有相同的物理起源，不依赖于真空的能量。真空能量方法侧重于宏观起源，而范德华的方法侧重于微观起源。在专业文献中，这两种方法通常被认为是两种互补的方法，但是这两种方法哪一种更基本？

本文来自微信公众号：万象经验 （ID：UR4351），作者：Eugene Wang