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科学家在理想真空中检测到摩擦力,并不违反物理原则
柏岩 2017-03-01
导语

近日,英国格拉斯哥大学物理学家马蒂亚斯·桑奈特拿领导的团队发现,一个穿过理想真空的衰变原子似乎却产生了摩擦力,破坏了现代物理学最基本的原则之一。这并不违背爱因斯坦的相对论,反而再次验证了爱因斯坦质能方程的正确性。

编者按:本文来自微信公众号"徐德文"(ID:xudewen028),e科网经授权发布。

谁都知道摩擦力是由于物体之间互相接触而产生的,虽然有时候这个作用力并不是显而易见,甚至会误导全世界几千年。比如亚里士多德说重的物体比轻的物体下落得更快,所有人都奉为金科玉律,直到伽利略在比萨斜塔上扔下两个不同重量的球,我们才恍然大悟,是隐藏在空气和物体之间的摩擦力蒙蔽了亚里士多德的眼睛,而亚里士多德又用他不可一世的伟岸身躯挡住了所有人的视线。

换句话说,在完全空无一物的理想真空里,就不应该有摩擦力的存在,因为不存在任何物质可以对通过其中的东西产生摩擦。但英国格拉斯哥大学物理学家马蒂亚斯·桑奈特拿领导的团队却发现,一个穿过理想真空的衰变原子似乎却产生了摩擦力,破坏了现代物理学最基本的原则之一。在对自己的理智怀疑了几个星期后,科学家们终于发现,这并不违背爱因斯坦的相对论,反而再次验证了爱因斯坦质能方程的正确性。

科学家们早就达成一个共识,理想的真空虽然不能对原子施加任何力,但它仍然可以与原子发生相互作用。真空并不空,而是充满了量子力学不确定原理描述的虚粒子对,不断地创生又马上湮灭。这些量子涨落会产生随机波动的电场,当原子进入其中后,就会吸收电场能量而进入激发态。当激发态原子衰变到较低能量状态时,就会随机向周围发射光子。格拉斯哥的团队就是在计算沿衰变原子移动相反方向发射的光子时,检测到了类似摩擦的力,似乎导致了原子速度上的损失,违反了相对论原理。

经过几个星期的研究后,研究人员发现,虽然光子没有静止质量,但由于它具有能量,原子衰变到较低能态并发射光子后,实际上会损失非常微小的能量,对应着原子质量的微量损失,这种损失可用爱因斯坦著名的质能方程E=mc^2来描述。由于这种损失非常微量,以前从没有人去测算它。但在现在这种情况下,却是不可忽略的,研究人员将这个质量缺陷插入到计算中时,发现原子衰减时损失的质量实际使其损失了动量而不是速度。因此这种类摩擦力是原子内部质能变化引起的动量变化,不但没有违反相对论,反而再次验证了它的正确性。

在2011年的时候,曾有研究指出,在真空中旋转的球,由于阻碍球转动的虚粒子对的力量比推动它的要强,球会受到摩擦力的作用最终停下来。这个原理可以用迎头相撞的汽车比追尾相撞的汽车碰撞力量更强来做比喻,在球的旋转方向上迎头撞上的虚粒子对,力量要比尾随相撞的强,因此球在真空中损失的动能,会成为真正的光子从真空中辐射出来。温度越高,真空里冒出的虚粒子对越多,球的旋转速度减慢得越快。比如直径100纳米的石墨颗粒,速度减慢到原来的三分之一要10年时间,而700摄氏度时,则只要90天,但在绝对零度附近的温度,就需要整整270万年了!

格拉斯哥团队的研究人员认为,或许会有人用他们的研究来解释这个现象,下一步他们将研究这种现象是否发生在原子吸收而不是发射光子时。该研究已发表在物理评论快报上。

文章链接:

Matthias Sonnleitner et al. "Will a Decaying Atom Feel a Friction Force?" Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.053601

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  • 摩擦力
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文章评论(1)
梅西[北京工业大学]

吓死宝宝了,还以为物理又要被修改了

503天前 | 回复
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作者 柏岩

硕士生

北京航空航天大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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