弯曲时空中Casimir效应的研究

The Casimir effect that proves the theory of quantum vacuum is observable, and is considered to be one of the most intuitionistic results in quantum electrodynamics. It is caused by the fluctuations of the quantum field after the quantization of the field. The study on the Casimir effect will help people to recognize the nature of vacuum. Moreover, the Casimir effect is increasingly important in technological applications, such as nanophysics, the construction of novel biomimetic dry adhesives and chemical identification of surface atoms via atomic force microscope. In the framework of the quantum field theory in curved spacetime, we will study, in this project, the Casimir-Polder force on atoms with the method of a symmetric operator ordering, and the influence of boundary conditions and atom’s non-inertial motion to the Casimir-Polder force, and the Casimir-Polder force in curved spacetime. We hope to recognize the Casimir-Polder force clearly, and know more about the quantum vacuum state in curved spacetime.

Casimir效应是证明量子真空理论的一个可观测效应，也被认为是量子电动力学最直观的结果之一。它是在引入场量子化后，由量子场的涨落所导致的。对Casimir效应的研究有助于人们认识真空的本质。不仅如此，在日益发展的微观技术应用领域，它的作用也非常重要，例如纳米技术、新的仿生干燥粘合剂以及通过原子力显微镜来区分表面原子的化学性质等等。本项目拟在弯曲时空量子场论的框架下，采用算符对称排序的方法来研究作用在原子上的Casimir-Polder力。通过研究边界条件、原子的非惯性运动对Casimir-Polder力的影响，以及弯曲时空背景下的Casimir-Polder力。我们期望能够对Casimir-Polder力有一个清晰认识，并进一步地认识弯曲时空背景下的量子真空态。

首先，在带电的有质量标量场扰动下，我们发现了四维Reissner-Nordström-de Sitter黑洞的一种新的不稳定性，并且证明了这种不稳定性是由黑洞超辐射所引起的。从而排除了这种黑洞在宇宙中的存在。然后，我们在平直时空中研究了匀加速的激发态原子与无限大导体平面之间Casimir-Polder势能，并讨论了加速度和原子与导体平面之间的距离对Casimir-Polder势能的影响。我们在弯曲时空背景下，研究了Schwarzschild黑洞外部沿圆周测地线运动的原子的自发激发现象和能级移动，以及作用在原子上的与原子位置有关的类Casimir-Polder力。这将帮助人们理解弯曲时空中的量子效应。最后，我们研究了polymer量子化标量场中原子的自发激发和能级移动，发现polymer量子化标量场中匀速运动的基态原子也可能自发激发到激发态。在polymer量子化的场中研究一些可观测的量子效应，可以将高能的效应与低能的实验现象结合起来，或许可以帮助人们验证或者排除圈量子引力理论。