真空不是空的
一个在真空中旋转的球,如果排除外界的引力和电磁力,那么它就会旋转到地球,不会停止。 经典物理教科书是这么说的,因为角动量和能量在没有外力的情况下是守恒的。
但经常与经典物理学相对立的量子力学再次做出了一个惊人的预测:球在真空中旋转的速度会逐渐减慢,直到完全停止!
角动量和能量有没有可能在量子力学中不能守恒? 绝对! 原因是,真空也有摩擦力!
怎么说呢?
我们通常想到的是真空,这是一个什么都没有的空间。 这也是经典物理学的观点。
但量子力学告诉我们,真空并不是真的空的,而是充满了一个又一个的量子涨落:大量的正负粒子对不断产生和湮灭。 由于这些粒子存在的时间很短,因此它们被称为“虚拟粒子”。
原则上,真空可以产生任何虚拟粒子。 但是,由于在量子涨落中,涨落幅度越小,量子发生的概率就越大,而且在所有基本粒子中,光子的静止质量为零,产生它的量子涨落幅度最小,因此虚拟光子最容易产生。
**的真空摩擦
通常,我们不会检测到这些虚拟光子,但它们可以产生真正的影响。 例如,它可以像真正的粒子一样击中真空中的物体。
由于虚拟光子的运动是完全随机的,当物体静止时,来自不同方向的冲击会相互抵消,因此对物体没有影响。 但是一旦物体在运动,情况就不同了。
假设现在有两个虚拟光子 A 和 B,它们以相同的速度移动,但方向相反,A 与物体的方向相同,B 与物体的方向相反。 a从后面击中物体,使其获得能量,加速; B从正面撞击物体,使其失去能量并减速。
从字面上看,一个加速,一个减速,抵消后,物体似乎应该保持其原始速度。 但事实上,事实并非如此。 任何在中学学过物理的人都知道,A的撞击所获得的能量总是小于B的撞击所损失的能量,最终的结果是物体减速。 在生活中,汽车的面对面碰撞往往比追尾事故代价更高,这正是原因。
不难理解,对于一个在真空中旋转的球来说,虽然虚拟光子的冲击来自各个方向,但最终的结果是减慢它的旋转速度,直到它停止。
实际上,这就像球在静止的空气中旋转并最终停止一样。 只不过一个被虚拟光子击中,另一个被空气分子击中。
决定真空摩擦的因素
这种真空效应的强度取决于物体的成分和大小。 用不易吸收电磁波的材料制成的物体,如金,可能会减慢很少或根本没有减速。 因为物体与虚拟光子碰撞,所以它涉及光子的吸收和再发射(这与两个宏观物体之间的碰撞不同)。 物体的质量越大,它减速的可能性就越小,因为真空的摩擦力毕竟非常小。 因此,如果旋转物体是容易吸收电磁波的小粒子,减速会更加明显。
减速的速度还取决于温度,因为温度越高,真空中产生的虚拟光子就越多。 在室温下,一个直径为100纳米的石墨球(大约是大多数星际尘埃的数量级)将需要大约10年的时间才能减慢到其初始转速的三分之一。 在 700 时,只需 90 天即可降低相同的费率。 在接近绝对零度(大多数星际空间的温度)时,需要270万年。
当一个物体减速时,它失去的旋转能量会以真实的、可探测的光子的形式发射出来。 不幸的是,检测这种光子需要高度的精度,超出了我们目前的技术水平。