Эфект Казіміра

З пляцоўкі Вікіпедыя
Перайсці да: рух, знайсці

Эфект Казіміра - эфект, які складаецца ва ўзаемным прыцягненні незараджаны[ цел, што праводзяць, пад дзеяннем квантавых флуктуацый у вакууме. Часцей за ўсё гаворка ідзе аб двух паралельных незараджаных люстраных паверхнях, размешчаных на блізкай адлегласці, аднак эфект Казіміра існуе і пры больш складаных геаметрыях.

Прычынай эфекту Казіміра з'яўляюцца энергетычныя ваганні фізічнага вакууму з-за пастаяннага нараджэння і знікненні ў ім віртуальных часціц. Эфект быў прадказаны галандскім фізікам Хендрыкам Казімірам (Hendrik Casimir, 1909-2000) у 1948 годзе, а пазней пацверджаны эксперыментальна.

Сутнасць эфекту[правіць | правіць зыходнік]

Згодна з квантавай тэорыяй поля, фізічны вакуум прадстаўляе сабой не абсалютную пустату. У ім стала нараджаюцца і знікаюць пары віртуальных часціц і антычасціц - адбываюцца пастаянныя ваганні (флуктуацыі) звязаных з гэтымі часціцамі палёў. У прыватнасці, адбываюцца ваганні звязанага з фатонамі электрамагнітнага поля. У вакууме нараджаюцца і знікаюць віртуальныя фатоны, якія адпавядаюць усім даўжыням хваляў электрамагнітнага спектру. Аднак у прасторы паміж блізка размешчанымі люстранымі паверхнямі сітуацыя мяняецца. На пэўных рэзанансных даўжынях (цэлая або паўцэлая колькасць разоў ўкладваюцца паміж паверхнямі), электрамагнітныя хвалі ўзмацняюцца. На ўсіх астатніх жа даўжынях, якіх больш, наадварот, душацца (гэта значыць, душыцца нараджэнне адпаведных віртуальных фатонаў). Адбываецца гэта з прычыны таго, што ў прасторы паміж пласцінамі могуць існаваць толькі стаячыя хвалі, амплітуда якіх на пласцінах роўная нулю. У выніку, ціск віртуальных фатонаў знутры на дзве паверхні аказваецца менш, чым ціск на іх звонку, дзе нараджэнне фатонаў нічым не абмежавана. Чым бліжэй адзін да аднаго паверхні, тым менш даўжынь хваль паміж імі аказваецца ў рэзанансе і больш - аказваецца падушанымі. Такі стан вакууму ў літаратуры часам называецца вакуумам Казіміра. Як следства, расце сіла прыцягнення паміж паверхнямі.

З'яву можна вобразна апісаць як «адмоўны ціск», калі вакуум пазбаўлены не толькі звычайных, але і часткі віртуальных часціц, гэта значыць «адпампавалі усё і яшчэ ледзь-ледзь».

Аналогія[правіць | правіць зыходнік]

З'ява, падобнае з эфектам Казіміра, назіралася яшчэ ў XVIII стагоддзі французскімі маракамі. Калі два карабля, якія разгойдваюцца з боку ў бок ва ўмовах моцнага хвалявання, але слабога ветру, аказваліся на адлегласці менш за прыблізна 40 метраў, то ў выніку інтэрферэнцыі хваль у прасторы паміж караблямі спынялася хваляванне. Спакойнае мора паміж караблямі стварала меншы ціск, чым хвалі з знешніх бартоў караблёў. У выніку ўзнікала сіла, якая імкнецца сутыкнуць караблі бартамі. У якасці контрмеры, кіраўніцтва па мараплаўства пачатку 1800-х гадоў рэкамендавала абодвум караблям паслаць па шлюпцы з 10-20 маракамі, каб расштурхваюць караблі.

Таксама эфект нагадвае кінетычную тэорыю гравітацыі Лесажа, якая заключаецца ў сутыкненні цел адзін з адным пад ціскам нейкіх гіпатэтычных часціц.

Велічыня сілы Казіміра[правіць | правіць зыходнік]

Сіла прыцягнення, якая дзейнічае на адзінку плошчы ~F_c / A для двух паралельных ідэальных люстраных паверхняў, якія знаходзяцца ў абсалютным вакууме, складае

~{F_c \over A} = {\hbar c \pi^2 \over 240 d^4},

дзе

~\hbar — прыведзеная пастаянная Планка,
~cхуткасць святла ў вакууме,
~d — адлегласць паміж паверхнямі.

Адсюль відаць, што сіла Казіміра вельмі малая. Адлегласць, на якой яна пачынае быць колькі-небудзь прыкметнай, складае парадку некалькіх мікрон. Аднак, будучы зваротна прапарцыянальнай 4-й ступені адлегласці, яна вельмі хутка расце з памяншэннем апошняга. На адлегласцях парадку 10 нм - сотні памераў тыповага атама - ціск, якое ствараецца эфектам Казіміра, аказваецца параўнальным з атмасферным.

У выпадку больш складанай геаметрыі (напрыклад, узаемадзеяння сферы і плоскасці або ўзаемадзеяння больш складаных аб'ектаў) колькаснае значэнне і знак каэфіцыента мяняецца [1], такім чынам сіла Казіміра можа быць як сілай прыцягнення, так і сілай адштурхвання.

Нягледзячы на ​​тое, што ў формуле для сілы Казіміра адсутнічае пастаянная тонкай структуры ~\alpha — асноўная характарыстыка электрамагнітнага ўзаемадзеяння, — гэты эфект, тым не менш, мае электрамагнітнае паходжанне. Як паказана ў нататцы [2], пры ўліку канчатковай праводнасці пласцін з'яўляецца залежнасць ад ~\alpha, а стандартны выраз для сілы з'яўляецца ў лімітавым выпадку \alpha \gg mc / 4\pi \hbar n d^4, дзе n — шчыльнасць электронаў у пласцінцы.

Гісторыя адкрыцця[правіць | правіць зыходнік]

Хедрык Казімір працаваў у Philips Research Laboratories ў Нідэрландах, займаючыся вывучэннем калоідных раствораў - вязкіх рэчываў, якія маюць у сваім складзе часцінкі мікронных памераў. Адзін з яго калег, Тэа Овербек (Theo Overbeek), выявіў, што паводзіны калоідных раствораў не зусім супадаюць з існуючай тэорыяй і папрасіў Казіміра даследаваць гэтую праблему. Неўзабаве Казімір прыйшоў да высновы, што адхіленні ад тэорыі можа быць растлумачаны, калі ўлічваць ўплыў флуктуацый вакууму на міжмалекулярныя ўзаемадзеянні. Гэта і наштурхнула яго на пытанне, якое ўздзеянне могуць аказаць флуктуацыі вакууму на дзве паралельныя люстраныя паверхні, і прывяло да знакамітага прадказанню пра існаванне паміж апошнімі прыцягвальнай сілы.

Эксперыментальнае выяўленне[правіць | правіць зыходнік]

Калі ў 1948 годзе Казімір зрабіў сваё прадказанне, недасканаласць тэхналогій і крайняя слабасць самага эфекту рабілі яго эксперыментальную праверку надзвычай цяжкай задачай. Адзін з першых эксперыментаў правёў ў 1958 годзе Маркус Спаарней (Marcus Spaarnay) з цэнтра Philips у Эйндховене. Спаарней прыйшоў да высновы, што яго вынікі "не супярэчаць тэарэтычным прадказанням Казіміра". У 1997 годзе пачалася серыя значна больш дакладных эксперыментаў, у якіх было ўстаноўлена згоду паміж назіранымі вынікамі і тэорыяй з дакладнасцю больш за 99%.

У 2011 годзе група навукоўцаў з тэхналагічнага універсітэта Чалмерса пацвердзіла дынамічны эфект Казіміра. У эксперыменце, дзякуючы мадыфікацыі СКВІДа, навукоўцы атрымалі падабенства люстэрка, якое пад уздзеяннем магнітнага поля вагалася з хуткасцю каля 5% ад светлавой. Гэтага аказалася дастаткова для таго, каб назіраць дынамічны эфект Казіміра: СКВІД выпускаў паток мікрахвалевых фатонаў, прычым іх частата была роўная палове частаты ваганняў «люстэрка». Менавіта такі эфект прадказвала квантавая тэорыя[3][4]. У дадзены момант чакаецца паўтор эксперыменту якой-небудзь іншай групай навукоўцаў.

У 2012 годзе група даследчыкаў з Фларыдскага універсітэта сканструявала першую мікрасхему для вымярэння сілы Казіміра паміж электродам і крамянёвай пласцінай таўшчынёй 1,42 нм пры пакаёвай тэмпературы. Прылада працуе ў аўтаматычным рэжыме і забяспечана актуатарам, які рэгулюе адлегласць паміж пласцінамі ад 1,92 нм да 260 нм, выконваючы раўналежнасць. Вынікі вымярэнняў даволі дакладна супадаюць з тэарэтычна разлічанымі значэннямі. Дадзены эксперымент даказвае, што на малых адлегласцях сіла Казіміра можа быць асноўнай сілай ўзаемадзеяння паміж прадметамі.[5]

Сучасныя даследаванні эфекту Казіміра[правіць | правіць зыходнік]

  • эфект Казіміра для дыэлектрыкаў
  • эфект Казіміра пры ненулявой тэмпературы
  • сувязь эфекту Казіміра і іншых эфектаў або раздзелаў фізікі (сувязь з геаметрычнай оптыкай, дэкагеренцыяй, палімернай фізікай)
  • дынамічны эфект Казіміра
  • ўлік эфекту Казіміра пры распрацоўцы высокаадчувальных МЭМС-прылад.

Эфект Казіміра ў літаратуры[правіць | правіць зыходнік]

Даволі падрабязна эфект Казіміра апісваецца ў навукова-фантастычнай кнізе Артура Кларка «Святло іншых дзён», дзе ён выкарыстоўваецца для стварэння двух парных чарвяточын ў прасторы-часу, і перадачы праз іх інфармацыі.

Літаратура[правіць | правіць зыходнік]

  • В. М. Мостепаненко, Н. Н. Трунов. Эффект Казимира и его приложения. УФН, 1988, т. 156, вып. 3, с. 385—426.
  • А. А. Гриб, С. Г. Мамаев, В. М. Мостепаненко. Вакуумные квантовые эффекты в сильных полях. М.: Энергоатомиздат, 1988.

Зноскі

  1. Физическая энциклопедия, т.5. Стробоскопические приборы — Яркость/ Гл. ред. А. М. Прохоров. Ред.кол.:А. М. Балдин,А. М. Бонч-Бруевич и др. — М.:Большая Российская Энциклопедия,1994, 1998.-760 с.:ил. ISBN 5-85270-101-7 , стр.644
  2. R. Jaffe — The Casimir Effect and the Quantum Vacuum(англ.) 
  3. Физики впервые зарегистрировали динамический эффект Казимира
  4. Артыкул пра дынамічны эфекі Казіміра ў часопісе Nature
  5. Первый чип для измерения силы Казимира

Спасылкі[правіць | правіць зыходнік]