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中国科学院物理研究所曹雨松博士关于粒子质量对动力学Casimir效应的影响的研究成果| MDPI Universe 精选

已有 4263 次阅读 2022-8-1 16:36 |个人分类:学术软文|系统分类:论文交流

1. 编辑荐读

量子力学的不确定关系告诉我们,真空中其实充满了虚粒子对的涨落,这就是所谓“真空不空”。这使得量子真空可以在外界的的扰动下产生辐射。在这一类现象的研究中,黑洞 Hawking 辐射, Unruh 效应和动力学 Casimir 效应在一定程度上存在对应关系,因此经常使用动力学 Casimir 效应作为研究前两者的模拟平台。


在绝大部分的研究中,因其具有的共形对称性,人们常常讨论无质量标量场,而对荷质量场关注较少。粒子质量对动力学 Casimir 效应会产生怎样的影响也不甚明确。在本文中,来自中国科学院物理研究所的曹雨松博士在微扰区间内对荷质量标量场的动力学 Casimir 效应进行了研究,探讨了粒子质量对动力学 Casimir 效应的影响,并将成果发表于 Universe。

2. 物理图像和计算方法

荷质量标量场的动力学 Casimir 效应可以用如下图像理解 (此图像适用于任何类型量子场的动力学 Casimir 效应):在镜子开始运动前,利用 Dirac 海模型,即真空是负能量状态被占满的状态。在镜子的运动过程中,负能量的电子有可能被激发到正能量的状态,并留下一个负能量的“空穴”。此时,正能量的电子和负能量的“空穴”表现为从真空中产生的一个粒子对。


本文实验了一个渐进静止的全反射镜面 (二维时空中镜子的世界线如图1所示),当镜子的位移总是不太大的时候,可以利用微扰法计算当时间趋于正负无穷时场函数之间的关系,进而获得它们之间场算符的 Bogoliubov 系数并由此得到动力学 Casimir 效应的结果。

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图1. 二维时空中镜子的世界线。


荷质量标量场的动力学 Casimir 效应:在二维时空中,动力学 Casimir 效应对镜子的真空阻力 (图2)。粒子质量对真空阻力的影响有三个特征:

1. 当镜子运动的 Fourier 频率低于某个由粒子质量决定的阈值时,真空对镜子不产生阻力,相应的,也不会有动力学 Casimir 效应发生;

2. 当镜子运动方程相同时,粒子质量越大,真空阻力越小;相应的,动力学 Casimir 效应越弱;

3. 粒子质量对真空阻力及动力学 Casimir 效应的影响主要集中在镜子的低频区。

在三维时空中,荷质量标量场的动力学 Casimir 效应发射粒子的空间分布 (图3)。

当镜子运动方程相同时,粒子质量越大,动力学 Casimir 效应发射粒子的空间角分布越窄。

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图2. 二维时空中,动力学 Casimir 效应对镜子的真空阻力。

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图3. 三维时空中,荷质量标量场的动力学 Casimir 效应发射粒子的空间分布。

3. 研究总结

本文在微扰区间内,利用运动方程结合散射矩阵的方法对荷质量标量场的动力学 Casimir 效应进行了研究,并计算了粒子质量对动力学 Casimir 效应的发射能谱和空间角分布谱的影响。文中指出,所有相应的无质量标量场的结论可以由文中的结论取零质量极限获得。在文章的末尾作者指出,由于非平衡过程所导致的效应,文章中所讨论的质量只能是粒子的“裸”质量,对于有相互作用所导致的修正质量,必须使用全新的方法进行计算。动力学 Casimir 效应为等效场论和基础场论的研究提供了一个全新的研究思路。


撰文:曹雨松

所属单位:中国科学院物理研究所


原文出自 Universe 期刊

Vacuum Radiation from Massive Scalar Field Universe, Universe 2022, 8, 186.

微信链接:https://mp.weixin.qq.com/s/RlyNbWvzGN0qUylOQUO54Q


Universe 期刊介绍

主编:Lorenzo Iorio, Royal Astronomical Society (F.R.A.S.), Italy

期刊发表范围涵盖宇宙学、引力、场论、量子力学基础、核物理与粒子物理、天体物理与天文学以及空间科学等研究领域。自2015年创刊以来,Universe 被SCIE、Scopus、ADS等多个权威数据库收录。

2021 Impact Factor:2.813

2021 CiteScore:3.2

MPT:42

APT:46.63

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1 杨正瓴

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