负真空摩擦力：一种量子涨落的神奇效应，可使物体加速
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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。 负真空摩擦力那么，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。 如果石墨烯处于正常状态，那么表面等离激元会逐渐衰减，并向基底传递能量。这样，基底就会向前反冲，给硅球施加一个与其旋转方向相反的力，这就是正常的真空摩擦力。 但是，如果石墨烯处于增益状态，那么表面等离激元就会加速传播，并从基底吸收能量。这样，基底就会向后反冲，给硅球施加一个与其旋转方向相同的力，这就是负真空摩擦力。 那么，如何使石墨烯处于增益状态呢？一种方法是用光来泵浦石墨烯，使其电子和正空穴产生非平衡分布。这样，就可以调节石墨烯的准费米能级，从而改变表面等离激元的增益或损耗。当准费米能级足够大时，就可以实现负真空摩擦力。 负真空摩擦力的大小取决于几个因素，包括硅球和基底之间的距离、温度、基底的介电常数和石墨烯的准费米能级。负真空摩擦力随着距离的增加而减小，随着温度的增加而增大，随着基底介电常数的增加而增大，随着准费米能级的增加而增大。当距离为100纳米、温度为300开尔文、基底介电常数为4、准费米能级为1.5电子伏时，负真空摩擦力产生的力矩可以达到10^-16 牛顿·米。 负真空摩擦力的应用负真空摩擦力有什么用呢？一种可能的应用是用它来驱动纳米球达到超高旋转速度。如果我们忽略其他因素，那么纳米球的角速度将满足以下方程：dω/dt=τ/I，其中ω是角速度，τ是负真空摩擦力产生的扭矩，I是纳米球的转动惯量。 如果我们假设纳米球的半径为100纳米，密度为2000千克/立方米，那么它的转动惯量约为10^-25 千克·米^2。如果我们用前面的参数计算负真空摩擦力的扭矩，那么我们可以得到纳米球的角加速度为10亿弧度每平方秒！如果没有其他阻力，那么纳米球将在一秒内达到非常高的转速。 当然，这是一个理想化的情况，实际上还有其他因素会影响纳米球的旋转，比如周围空气的阻力、石墨烯的损耗、真空涨落的随机性等。但是，即使考虑这些因素，负真空摩擦力仍然可以使纳米球达到很高的旋转速度。科学家估计，在实际条件下，负真空摩擦力可以使纳米球达到每分钟几千万转的速度。 这样高速旋转的纳米球可能有一些有趣的应用，比如用于精密测量、纳米机械或量子信息处理等领域。当然，要实现这种效果，还需要解决一些技术难题，比如如何制备和操控纳米球、如何泵浦和调节石墨烯、如何测量和控制真空涨落等。 |
