Casimir etkisi.

1999 yılında bazı tanıdıklarım nanometre boyutunda metal tozlarının üretimi ile uğraştı. Bunun ticari açıdan neden gerekli olduğu - burada önemli değil. Çeşitli teknolojiler kullanıldı, bunlardan biri metal buharlarının çeşitli koşullar altında yoğunlaşması. Daha sonra bu toz, kullanılmak üzere başka bir reaktöre nakledildi. Bildiğiniz gibi, malzeme özellikleri açısından çok sıra dışı. Adamlar çoğunlukla eğitim yoluyla malzeme bilimcileri ve kimyagerlerdi. Ve böylece, bu tozun akışının, klasik fizik açısından olması gerektiği gibi gerçekleşmediği gerçeğine tökezlediler. Akışın türü, büyük ölçüde tozun iletkenliğine bağlıydı, ancak bunların hepsi iletkendi ve temas üzerine kolayca yük alışverişi yapıyordu. Kendi bakış açılarına göre "seçmeye" başladılar, etki anlaşılmazdı. Tüm arkadaşlara “ıslık çalmaya” başladılar ve sıra bendeydi. Ben de nasıl bir etki yarattığını çözemedim ama “zincir” boyunca onları fizikçilere ilettim.

Tabut basitçe açıldı - Casimir etkisi. Wikipedia'da verilen bu etkinin açıklamasını yeniden yazmayacağım. Onu getireceğim.

Http://en.wikipedia.org/wiki/Casimir_Effect

Casimir etkisi, boşlukta kuantum dalgalanmalarının etkisi altında iletken yüksüz cisimlerin karşılıklı çekiminden oluşan bir etkidir. Çoğu zaman, yakın mesafeye yerleştirilmiş iki paralel yüksüz ayna yüzeyinden bahsediyoruz, ancak Casimir etkisi daha karmaşık geometrilerde de var. Casimir etkisinin nedeni, içindeki sanal parçacıkların sürekli doğumu ve kaybolması nedeniyle fiziksel boşluğun enerji dalgalanmalarıdır. Etki, 1948'de Hollandalı fizikçi Hendrik Casimir (1909-2000) tarafından tahmin edildi ve daha sonra deneysel olarak doğrulandı.

Efektin özü

Buna göre kuantum teorisi alanlarda, fiziksel boşluk mutlak bir boşluk değildir. Sanal parçacık ve antiparçacık çiftleri sürekli olarak doğar ve içinde kaybolur - bu parçacıklarla ilişkili alanlarda sürekli salınımlar (dalgalanmalar) vardır. Özellikle, fotonlarla ilişkili salınımlar vardır. elektromanyetik alan. Vakumda, elektromanyetik spektrumun tüm dalga boylarına karşılık gelen sanal fotonlar doğar ve kaybolur. Ancak birbirine yakın ayna yüzeyleri arasındaki boşlukta durum değişir. Belirli rezonans uzunluklarında (yüzeyler arasında bir tamsayı veya yarı tamsayı sayısı), elektromanyetik dalgalar güçlendirilir. Daha büyük olan diğer tüm uzunluklarda, aksine, bastırılırlar (yani, karşılık gelen sanal fotonların üretimi bastırılır). Sonuç olarak, sanal fotonların iki yüzey üzerindeki içeriden basıncı, foton üretiminin hiçbir şekilde sınırlandırılmadığı, dışarıdan üzerlerindeki basınçtan daha azdır. Yüzeyler birbirine ne kadar yakınsa, aralarındaki dalga boyları o kadar az rezonans içindedir ve o kadar fazla bastırılır. Sonuç olarak, yüzeyler arasındaki çekim kuvveti artar.

Vakum sadece sıradan değil, aynı zamanda sanal parçacıkların bir kısmından, yani "her şeyi ve biraz daha fazlasını dışarı pompaladı" olduğunda, fenomen mecazi olarak "negatif basınç" olarak tanımlanabilir.

Daha karmaşık geometri durumunda (örneğin, bir küre ve bir düzlemin etkileşimi veya daha karmaşık nesnelerin etkileşimi), katsayının sayısal değeri ve işareti değişir, bu nedenle Casimir kuvveti hem çekici bir kuvvet hem de bir kuvvet olabilir. itici güç.

Alıntı sonu.

Bu durum, davranışın, görünüşe göre, tamamen mekanik sistem- metal tozunun kuantum etkilerine bağlı olduğu ortaya çıktı ve bunların çoğu için en az anlaşılanlardan biri, bana göründüğü gibi, sonuçları - Sanal parçacıklar.

CASIMIR ETKİSİ, alanın boşluk durumundaki (özellikle elektromanyetik) dalgalanmaların neden olduğu geniş bir fenomen yelpazesinin genel adı, sınırların varlığında veya uzayın geometrisindeki (topoloji) değişiklikler. Casimir etkisinin kendini gösterdiği fizik alanları çok geniştir - istatistiksel fizikten fiziğe temel parçacıklar ve kozmoloji.

İlk kez, bir elektromanyetik alanın kuantum dalgalanmalarının elektriksel olarak nötr makroskopik cisimlerin etkileşimi üzerindeki etkisi, Hollandalı teorik fizikçi H. Casimir (1948) tarafından tahmin edildi. Zemin (vakum) durumundaki alanın kuantum dalgalanmaları nedeniyle, mutlak sıfır sıcaklıkta, vakumda L genişliğinde bir boşlukla ayrılmış, ideal olarak iletken yüksüz iki düzlem-paralel levhanın bir F kuvveti ile çekilmesi gerektiğini hesapladı. birim alan:

F = - 0,0065hc/L 4 , (*)

h Planck sabitidir, c ışığın boşluktaki hızıdır. İki dielektrik katmanın çekici kuvveti için, geçirgenliğin alan frekansına bağımlılığını hesaba katan daha genel bir formül, 1954'te E. M. Lifshitz tarafından elde edildi. Casimir kuvveti F birkaç mikrometreyi aşan mesafeler için çok küçüktür, ancak mesafe azaldıkça hızla artar ve L = 0,01 μm (yaklaşık yüz atom boyutu) için efektif negatif basınç F neredeyse 1,3 10 6 Pa'ya ulaşır (13 atmosferler) . Bu nedenle, mikro ve nano boyutlu çeşitli elektromekanik cihazların tasarımında Casimir kuvvetlerinin dikkate alınması önemlidir. Bazen Casimir kuvvetleri, elektromanyetik etkileşimdeki gecikme ihmal edilemeyeceği zaman, "büyük" (atomik ölçekte) mesafelerde van der Waals çekim kuvvetlerinin bir tezahürü olarak kabul edilir.

1950'lerde kurulan Casimir ve Lifshitz'in formüllerini test etmek için yapılan ilk deneyler, kuvarstan yapılmış düz ve küresel yüzeyler (I. I. Abrikosov, B. V. Deryagin) ve metal düz plakalar (M. Sparnay) arasında çekici bir kuvvetin varlığını niteliksel olarak doğruladı. Hollanda). Küçük kuvvetlerin (10-12 N'ye kadar) ve mesafelerin (0,1-6 μm aralığında) ölçümlerinin doğruluğunu ve güvenilirliğini önemli ölçüde iyileştirmek, yeni araç ve teknolojilerin ortaya çıkması nedeniyle ancak 1990'ların sonunda mümkün oldu, atomik kuvvet mikroskobu ve mikroelektromekanik sistemler gibi. Elde edilen en iyi doğruluk yaklaşık %1'dir. Bazı detayların (örneğin, birkaç mikronu aşan mesafelerde kuvvetlerin sıcaklığa bağımlılığı) açıklığa kavuşturulmasına rağmen, teori ve deney arasında tatmin edici bir anlaşma elde edilmiştir. Gerçek etkileşim kuvveti önemli ölçüde malzeme ve yüzey özelliklerine bağlıdır, bu nedenle iyi iletkenler (altın, bakır) için bile değeri formül (*) ile hesaplanan değerden yüzde onlarca farklı olabilir.

1959'da I. E. Dzyaloshinskii, E. M. Lifshits ve L. P. Pitaevskii, farklı geçirgenliklere sahip katmanlı yapılarda itici bir kuvvetin ortaya çıkma olasılığını öngördü. Daha sonra, örneğin ideal bir iletken ve mıknatısı veya metamalzemelerden (negatif kırılma indisine sahip yapay ortam) yapılmış çeşitli yapıları birleştirirken böyle bir kuvvete izin veren birçok başka model ve geometrik konfigürasyon bulundu. Bununla birlikte, bu konu mikro ve nanoelektromekanik cihazların gelişimi ile bağlantılı olmasına rağmen, henüz teorik sonuçların deneysel doğrulaması yoktur.

Casimir etkisi, kuantum alan teorisi çerçevesinde, sıfır sıcaklıkta sıfır olmayan bir vakum enerji yoğunluğunun ortaya çıkması gerçeğinden dolayı kozmolojide önemli bir rol oynar. Bu, kozmolojik sabit sorununu çözmek için büyük önem taşır ve Evrenin şişme modeliyle ilgilidir. Casimir etkisi hadronların fiziğinde çok önemlidir: özelliklerini hesaplarken kuark ve gluon alanlarının Casimir enerjisi hesaba katılmalıdır. Casimir etkisi, süpersimetrik alan teorilerinde ve Kaluza-Klein tipi teori modellerinde, ekstra uzamsal boyutların kendiliğinden kompaktlaşma mekanizmalarını analiz ederken dikkate alınır.

Alanı sınırlayan yüzeyler hareket ediyorsa veya özellikleri zamana bağlıysa, o zaman canlı bir tezahürü, sınırların hareketi nedeniyle vakumdan fotonların doğuşu olabilen durağan olmayan (veya dinamik) bir Casimir etkisinden bahseder. elektriksel olarak nötr makroskopik cisimler. Bu etki henüz keşfedilmemiştir, çünkü üretilen fotonların tahmin edilen sayısı, karakteristik hareket hızının ışık hızına oranının karesiyle orantılıdır, yani çok küçüktür. Bununla birlikte, sınır yeterli genlikle ve elektromanyetik alanın seçilen modunun salınım periyodunun yarısına yakın bir periyotla salınım yapacak şekilde yapılırsa, bu sayı, kuantum girişimi nedeniyle birçok büyüklük mertebesi ile artırılabilir. parametrik rezonans. Böyle bir deney, birkaç gigahertz bölgesindeki frekanslar için gerçekçidir.

Yanıyor: Barash Yu.S. Van der Waals Kuvvetleri. M., 1988; Mostepanenko V.M., Trunov N.N. Casimir etkisi ve uygulamaları. M., 1990; Bordag M., Mohideen U., Mostepanenko V. M. Casimir etkisindeki yeni gelişmeler // Fizik Raporları. 2001 Cilt 353. Hayır 1-3.

Casimir etkisi

Casimir etkisi: yoktan güç

Astrid Lambrecht

Pavlyuchenko S.'nin çevirisi.

Hendrik Casimir tarafından 50 yıldan daha uzun bir süre önce tahmin edilen bir boşluktaki iki yüzey arasındaki çekim kuvveti, mikro cihazlardan evren teorilerine kadar neredeyse her şeyi etkileyebilir.

Bununla birlikte, Casimir kuvvetini ölçen çok az deney, düzlemlerin orijinal konfigürasyonunu paralel aynalar olarak kullanmıştır. Bunun nedeni, çok zor olan deney boyunca paralel tutulmaları gerektiği gerçeğidir. Küreyi aynaya yeterince yaklaştırmak çok daha kolaydır, çünkü bu durumda kuvvet hesaplama formülünde kullanılan nesneler arasındaki mesafe sadece en yakın noktalar arasındaki mesafedir. Küre ve düz ayna kullanmanın tek dezavantajı, bu durumda Casimir kuvvetinin hesaplanmasının iki paralel ayna durumunda olduğu kadar doğru olmamasıdır. Özellikle küre ile levha arasındaki kuvvetin katkılarının her noktada tamamen bağımsız olduğu varsayılır. Ve bu, yalnızca kürenin yarıçapı, küre ile levha arasındaki mesafeden çok daha büyükse doğrudur.

Ve çok yakın zamanda, Kazimirov'un iki düz, paralel ayna sistemini tamamen tekrarlayan bir deney yapıldı. Gianni Carugno, Roberto Onofrio ve İtalya'daki Padova Üniversitesi'nden ortak çalışanlar tarafından yürütülmüştür. Sert bir krom plaka ile aynı malzemeden yapılmış bir braketin 0,5-3 mikron aralıklı düz yüzeyi arasındaki kuvveti ölçtüler (G Bressi ve diğerleri 2002 Fizik Rev. Lett. 88 041804). Ölçümlerine göre, Casimir kuvveti teorik tahminle %75 oranında uyumludur. Böyle nispeten büyük bir hata, deneyin uygulanmasındaki teknik zorluklarla ilişkilidir.

Daha doğru hesaplamalar

Casimir etkisini incelemedeki sorun, Heinrich Casimir'in düşündüğü gibi sıradan aynaların mükemmel şekilde pürüzsüz ve düz olmamasıdır. Özellikle sıradan aynalar tüm dalga boylarında mükemmel şekilde yansıtmazlar. Bazılarında iyi - hatta neredeyse mükemmel, bazılarında ise - kötü yansıtırlar. Ayrıca tüm aynalar çok yüksek frekanslarda şeffaf hale gelir. Bu nedenle Casimir kuvveti hesaplanırken aynalardan frekansa bağlı yansıma katsayılarının dikkate alınması gerekir. Bu sorun 1950'lerde Evgeny Lifshitz, ardından Julian Schwinger ve diğerleri tarafından ele alındı.

0.1 mikron mesafede bulunan sıradan metal aynalar arasındaki ölçülen Casimir kuvvetinin, ideal aynalar için teori tarafından öngörülenin sadece yarısı olduğu ortaya çıktı. Deneysel verileri teori ile karşılaştırırken bu tutarsızlık dikkate alınmazsa, yanlış bir şekilde bu farklılığın yeni bir kuvvetin varlığından kaynaklandığı sonucuna varılabilir. Astrid Lambrecht ve meslektaşı Serge Reynaud, metallerin fiziksel özelliklerini dikkate alarak aynaların gerçek davranışları için hesaplamalar yaptılar. En basit model durumunda, aynaların 0,5 mikrondan daha büyük mesafelerde "normal" davrandığı sonucuna varmışlardır.

Casimir kuvvetinin teorik değeri hesaplanırken ortaya çıkan bir diğer problem, deneyin prensipte - Casimir hesaplamalarında varsayıldığı gibi - mutlak sıfırda gerçekleştirilememesi, ancak oda sıcaklığında gerçekleştirilmesidir. Bu nedenle, termal dalgalanmalar da dikkate alınmalıdır. Kendi radyasyon basınçlarını oluşturabilirler ve böylece Casimir kuvvetinin etkisini artırabilirler. Örneğin, 7 mikron aralıklı düz aynalar arasında etkiyen Casimir kuvveti, oda sıcaklığında mutlak sıfıra göre iki kat daha güçlüdür. Neyse ki, oda sıcaklığındaki termal dalgalanmalar yalnızca bir mikrondan daha büyük mesafelerde önemlidir; daha kısa mesafelerde, dalgalanma dalga boyu en az bir kez potansiyel kuyusuna tam olarak sığmayacak kadar büyüktür.

Sıcaklığın Casimir kuvveti üzerindeki etkisi henüz ayrıntılı olarak çalışılmamış olmasına rağmen, bir mikrondan daha büyük mesafelerde dikkate alınmalıdır. 1950'lerde Lifshitz ve Schwinger dahil olmak üzere birçok araştırmacı bu sorunla mücadele etti. Daha yakın zamanda, Leipzig Üniversitesi'nden Michael Bordag, İsveç'teki Linköping Üniversitesi'nden Bo Sernelius, Brezilya'daki Paraiba Üniversitesi'nden Galina Klimchitskaya ve Vladimir Mostapenko ve Paris'teki bir grup Astrid Lambrecht tarafından gözden geçirildi. Casimir kuvvetinin sıcaklığa bağımlılığı bir süre önce bilim camiasında hararetli bir tartışma konusuydu. Doğru, birçok çelişki zaten çözüldü, ancak Casimir kuvvetinin sıcaklığa bağımlılığını belirlemek için deneyleri teşvik ettiler.

Casimir kuvvetinin hesaplanmasındaki üçüncü ve son problem, gerçek aynaların mükemmel şekilde pürüzsüz olmadığı gerçeğidir. Aynaların büyük çoğunluğu, tabanı ince bir metal filmle kaplayarak yapılır; "püskürtme" teknolojisini kullanırken. Bu durumda, film kalınlığı 50 nm dalgalanır. Bu doğruluk çıplak gözle görülmez, ancak mesafeye çok duyarlı olan Casimir kuvvetinin ölçülen değerini etkiler.

Mohideen ve grubu (California), deforme olmuş yüzeyleri kullanarak, son zamanlarda, bu tür yüzeylerin, aynaya göre dik değil, paralel bir yönde hareket eden bir "yanal" Casimir kuvvetine maruz kaldığını gösterdi. Deneyler için yüzeyleri sinüzoidal olarak kavisli özel aynalar hazırladılar. Sonra aynaları, aynalardan birinin tepe noktası, ikinci aynanın tepeleri ve "minimumları" arasından art arda geçecek şekilde hareket ettirdiler. Yanal Casimir kuvvetinin, iki "dalga" arasındaki faz farkı ile sinüzoidal olarak değiştiği bulundu. Kuvvetin büyüklüğü, aynı mesafeyle ayrılmış "normal" aynalar durumunda olacağından 10 kat daha az olduğu ortaya çıktı. Yan kuvvet ayrıca doğasını vakum dalgalanmalarına borçludur.

Mehran Kadar, Massachusetts'ten personelle Teknoloji Enstitüsü Mohiden ve meslektaşları bunu metal aynalar için yeniden hesapladılar ve teori ile deney arasında iyi bir uyum buldular. Yanal Casimir kuvvetinin mikro cihazlar için başka etkileri olabilir.

Yeni fizik mi?

Casimir etkisi, mikro ve nanometre ölçeklerinde mikro kozmosta kesin kuvvet ölçümlerinde de rol oynayabilir. Newton yasası makro kozmosta, örneğin gezegenlerin hareketini incelerken birçok kez test edilmiştir. Ancak henüz kimse onu mikron mesafelerde iyi bir doğrulukla test edemedi. Bu tür testler çok önemlidir çünkü dört etkileşimin tümünü birleştiren birçok teori vardır ve bu teoriler bu ölçeklerde hareket eden yeni kuvvetlerin varlığını tahmin eder. Bu nedenle, deney ve teori arasındaki herhangi bir tutarsızlık, yeni güçlerin varlığı olarak yorumlanabilir. Her durumda, ölçümler mevcut teorilere yeni kısıtlamalar getirecektir.

Örneğin, Washington DC'deki Jens Gundlach ve meslektaşları, 10 mm'den 220 mikrona kadar ayrılmış iki test kütlesi arasındaki yerçekimi kuvvetini belirlemek için bir burulma sarkaç kullandı. Onların ölçümleri, Newton yerçekiminin bu ölçeklerde çalıştığını ve Casimir kuvvetinin çok daha kısa mesafelerde hakim olduğunu doğruladı. Bu arada, Colorado Üniversitesi'ndeki Joshua Long, John Price ve meslektaşları, Ephraim Fischbach ve Purdue Üniversitesi'ndeki işbirlikçileri ile birlikte, deneyde kullanılan daha kapsamlı malzeme seçimiyle Casimir'in milimetre altı yerçekimi testleri üzerindeki etkisini ortadan kaldırmaya çalıştılar.

Bu makale, Casimir etkisinin birçok deneysel ve teorik çalışmasına yalnızca kısa bir genel bakış sunmaktadır. Tabii ki, aynı derecede heyecan verici birçok deney var. Örneğin birçok bilimsel grup, aynalar arasındaki etkileşim, kütlesiz bozonlar tarafından taşınan bir elektromanyetik alanı değil, kuarklar veya nötrinolar gibi masif fermiyon alanlarını içeriyorsa ne olacağını araştırıyor. Bu arada diğer ekipler, Möbius şeridi ve toroidal nesneler gibi diğer topolojilere sahip durumlar için Casimir etkisini inceliyor.

Ancak, araştırmacıların tüm çabalarına rağmen, Casimir etkisi ile ilgili hala çözülmemiş birçok sorun var. Özellikle, tek bir içi boş küredeki Casimir kuvvetinin görünüşte basit sorusu hala yakıcıdır. Bu gücün çekici mi yoksa itici mi olacağı bile kesin değil. Heinrich Casimir, 1953'te elektronun kararlı bir modelini ararken bu sorun üzerinde kafa yordu.

M Bordag, U Mohideen ve V M Mostepanenko 2001 Casimir etkisindeki yeni gelişmeler Fizik Temsilci 353 1

H B Chan ve diğerleri 2001 Doğrusal olmayan mikromekanik Casimir osilatörü Fizik Rev. Lett. 87 211801

F Chen ve U Mohideen 2002 Yanal Casimir kuvvetinin gösterilmesi Fizik Rev. Lett. 88 101801

C Genet, A Lambrecht ve S Reynaud 2000 Casimir kuvvetinin metalik aynalar arasındaki sıcaklığa bağımlılığı Fizik Rev. A 62 012110

SK Lamoreaux 1997 Casimir kuvvetinin 0,6 ila 6 mikrometre aralığında gösterimi Fizik Rev. Lett. 78 5

KA Milton 2001 Casimir Etkisi: Sıfır Noktası Enerjisinin Fiziksel Belirtileri(World Scientific, Singapur)

Boş Uzaydan Gelen Güç: Casimir Etkisi

• 1958 - dolaylı deney: Sparnaay, Casimir etkisinin görsel tezahürlerini elde etmek için paralel plakalar kullandı, ancak birçok deneysel hatayla;
• 1972 - dolaylı deney: Sabisky ve Anderson, Casimir etkisini dolaylı olarak doğrulayarak helyum filmlerinin kalınlığını ölçtüler;
• 1978 - dolaylı deney: von Black ve Overbeek kuvveti niteliksel olarak gözlemledi;
• 1997 - doğrudan deney: Lamoreau, Mohidin ve Roy, kuvveti teori tarafından tahmin edilen değerin %15'i dahilinde niteliksel olarak ölçtüler;
• 2001 - doğrudan deney: Padi Üniversitesi bilim adamları, paralel plakalar arasındaki bu etkiyi tespit etmek için mikro rezonatörler kullandılar.

Bu kuvveti tespit etmek için iki paralel plaka kullanmanın, hizalama söz konusu olduğunda inanılmaz bir hassasiyet gerektirdiği yıllar içinde ortaya çıktı. Plakalardan biri, çok büyük bir yarıçapa sahip küresel bir plaka ile değiştirildi.

Dinamik Casimir etkisinin test edilmesi daha uzun sürdü. 1970'lerde tahmin edildi ve Mayıs 2011'de bilim adamları tarafından deneysel olarak doğrulandı. Teknoloji Üniversitesi Chalmers, İsveç, Göteborg'da. Bilim adamları, süper iletken bir mikrodalga boşluğunun vakumunda mikrodalga fotonları üretti. Hareketli plaka etkisini elde etmek için bilim adamları, plakalar arasındaki mesafeyi kontrol etmek için değiştirilmiş bir SQUID (Süper İletken Kuantum Girişim Cihazı) kullandılar. Sonuçlar hala bilimsel incelemeyi bekliyor, ancak onaylanırsa ilk olacak deneysel doğrulama dinamik Casimir etkisi.

Nanometrelerden uzay yolculuğuna

O halde, nano-plakaları ışık hızına yakın hızlarda uzay yolculuğuna kaydıran kuvvetten nasıl hareket edebiliriz? Dinamik Casimir efekti, bir motor oluşturmak için kullanılabilir. uzay gemisi, doğrudan vakumdan enerji almak. Bu fikir oldukça iddialı olmasına rağmen, genç bir Mısırlı bunun patentini aldı bile.

Casimir etkisinden kaynaklanan bir başka teori, solucan deliğinin iki plaka arasındaki kütle eksikliğinden kaynaklandığıdır. Teorik olarak, bu, spekülatif ve genel bir teori olmasına rağmen, ışıktan daha hızlı seyahate yol açabilir.

Neyse ki, yeni deneyler yapılıyor, teknolojiler gelişiyor ve muhtemelen Casimir etkisinin pratikte kullanımı çok uzak değil. Özellikle nanoteknolojide - silikon devrelerinde ve Casimir osilatörlerinde faydalı olabilir.