- 1958 - непрямой эксперимент: Спарнаай использовал параллельные пластины, чтобы получить наглядные проявления эффекта Казимира, но с множеством экспериментальных ошибок;
- 1972 - непрямой эксперимент: Сабиски и Андерсон измерили толщину гелиевых пленок, косвенно подтвердив эффект Казимира;
- 1978 - непрямой эксперимент: фон Блэк и Овербеек наблюдали силу качественно;
- 1997 - прямой эксперимент: Ламоро, Мохидин и Рой качественно измерили силу в пределах 15% от величины, предсказанной теорией;
- 2001 - прямой эксперимент: ученые из Университета Пади использовали микрорезонаторы, чтобы обнаружить этот эффект между параллельными пластинами.
За многие годы стало очевидно, что использование двух параллельных пластин для обнаружения этой силы требует невероятной точности, когда дело доходит до выравнивания. Одна из пластин была замещена сферической пластиной с очень большим радиусом.
Динамический эффект Казимира потребовал больше времени для проверки. Он был предсказан в 1970-х годах и экспериментально подтвержден в мае 2011 года учеными из Технологического университета Чалмерса в Гетеборге, Швеция. Ученые генерировали микроволновые фотоны в вакууме сверхпроводящего микроволнового резонатора. Для достижения эффекта движущейся пластины ученые использовали модифицированный SQUID (сверхпроводящее устройство квантовой интерференции), чтобы регулировать дистанцию между пластинами. Результаты до сих пор находятся на рассмотрении научной экспертизы, но если они подтвердятся, это будет первое экспериментальное подтверждение динамического эффекта Казимира.
От нанометров к космическим путешествиям
Как же от силы, сдвигающей нанопластинки, перейти к космическим путешествиям на околосветовых скоростях? Динамический эффект Казимира можно использовать, чтобы создать двигатель для космического корабля, получая энергию прямо из вакуума. Хотя эта идея весьма амбициозная, один молодой египтянин уже ее запатентовал.
Другая теория, которая вытекает из эффекта Казимира, заключается в том, что червоточину вследствие нехватки массы между двумя пластинами. В теории это может привести к путешествиям быстрее света, хотя это спекулятивно и вообще теория.
К счастью, проводятся новые эксперименты, технологии улучшаются, и вполне может так статься, что использование эффекта Казимира на практике не за горами. В частности, он может пригодиться в нанотехнологиях - в кремниевой схемотехнике и осцилляторах Казимира.
А позднее подтверждён экспериментально.
Современные исследования эффекта Казимира
- эффект Казимира для диэлектриков
- эффект Казимира при ненулевой температуре
- связь эффекта Казимира и иных эффектов или разделов физики (связь с геометрической оптикой , декогеренцией , полимерной физикой)
- динамический эффект Казимира
- учёт эффекта Казимира при разработке высокочувствительных МЭМС -устройств.
Литература
- 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.
Примечания
Ссылки
Wikimedia Foundation . 2010 .
- Андермат
- Кавала
Смотреть что такое "Эффект Казимира" в других словарях:
ЭФФЕКТ КАЗИМИРА - совокупность физ. явлений, обусловленных специфической поляризацией вакуума квантованных полей вследствие изменения спектра нулевых колебаний в областях с границами и в пространствах с нетривиальной топологией. Предсказан X. Казимиром в 1948 … Физическая энциклопедия
Эффект Казимира
Эффект Шарнхорста - гипотетический опыт, в котором световой сигнал может двигаться между двумя близко расположенными пластинами быстрее скорости света. Явление предсказано Клаусом Шарнхорстом из Гумбольдтского университета (Германия) и Гэбриэлом Бартоном из… … Википедия
Вакуум Казимира - Возможно, эта статья содержит оригинальное исследование. Добавьте ссылки на источники, в противном случае она может быть выставлена на удаление. Дополнительные сведения могут быть на странице обсуждения. В … Википедия
сила Казимира - Термин сила Казимира Термин на английском Casimir forces Синонимы эффект Казимира Аббревиатуры Связанные термины Определение сила, обусловленная наличием граничных условий вторичного квантования нулевых колебаний электромагнитного поля в вакууме … Энциклопедический словарь нанотехнологий
Графен - Пожалуйста, актуализируйте данные В этой статье данные предоставлены преимущественно за 2007 2008 гг … Википедия
Казимир, Хендрик - Хендрик Казимир Hendrik Brugt Gerhard Casimir … Википедия
Хендрик Казимир - Hendrik Brugt Gerhard Casimir Хендрик Хенк Бругт Герхард Казимир Дата рождения: 15 июля 1909 Место рождения: с Гравенхаге (Гаага), Нидерланды Дата смерти … Википедия
Casimir Effect - Casimir Effect Эффект Казимира Эффект, заключающийся во взаимном притяжении проводящих незаряженных тел под действием квантовых флуктуаций в вакууме. Чаще всего речь идёт о двух параллельных незаряженных зеркальных поверхностях, размещённых… … Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. - М.
Виртуальные частицы - Виртуальная частица некоторый абстрактный объект в квантовой теории поля, обладающий квантовыми числами одной из реальных элементарных частиц (с массой m), для которого, однако, не выполняется обычная связь между энергией и импульсом (т.е.).… … Википедия
Книги
- Основы квантовой механики. Нерелятивистская теория , Гинзбург И.Ф. , Пособие составлено на основе многолетнего опыта преподавания автором основного курса квантовой механики и чтения спецкурса Дополнительные главы квантовой механики в Новосибирском… Категория: Физика Серия: Университетские учебники и учебные пособия Издатель:
В 1948 году голландские физики-теоретики Хендрик Казимир и Дирк Полдер в поисках объяснения свойств коллоидных пленок рассмотрели взаимодействие молекул, поляризующих друг друга электромагнитными силами. Оказалось, что сила притяжения поляризуемой молекулы к металлической пластинке обратно пропорциональна четвертой степени расстояния между ними.
Но этим дело не закончилось. Казимир обсуждал свои выводы с Нильсом Бором, и тот заметил, что притяжение можно объяснить и совершенно иначе. Тогда уже было доказано, что виртуальные частицы физического вакуума влияют на энергетические уровни внутриатомных электронов (лэмбовский сдвиг). По мнению Бора, вычисленный Казимиром эффект мог иметь точно такую же природу. Казимир произвел соответствующие расчеты и получил ту же самую формулу.
Эффект Казимира
В том же году Казимир предложил простой и наглядный пример силового воздействия вакуума. Представим себе две плоские проводящие пластины, расположенные параллельно. Плотность виртуальных фотонов между ними будет меньшей, нежели снаружи, поскольку там смогут возбуждаться лишь стоячие электромагнитные волны строго определенных резонансных частот. В результате в пространстве между пластинами давление фотонного газа окажется меньше давления извне, из-за чего они будут притягиваться друг к другу, причем опять-таки с силой, обратно пропорциональной четвертой степени ширины щели (при сближении пластин набор допустимых частот стоячих волн сокращается, так что различие плотности «внутренних» и «внешних» фотонов возрастает). Реально такое притяжение становится заметным на расстоянии нескольких микрометров. Это явление и получило название эффекта Казимира.
Движущиеся зеркала
В 1970 году физик из американского Университета Брандейса Джеральд Мур опубликовал статью, где теоретически рассмотрел поведение вакуума в полости, ограниченной двумя сближающимися или расходящимися плоскопараллельными зеркалами. Он показал, что такие зеркала могут усилить вакуумные флуктуации… и заставить их породить реальные фотоны. Однако, согласно расчетам Мура, для генерации фотонов в сколь-нибудь заметных количествах зеркала должны иметь релятивистскую скорость. В конце 1980-х проблема «раскачки» вакуумных флуктуаций заинтересовала многих ученых. Ее теоретический анализ показал, что вакуум способен рождать реальные фотоны не только около материальных тел, обладающих субсветовой скоростью, но и вблизи материалов, быстро изменяющих свои электрические или магнитные свойства. Такое превращение виртуальных вакуумных флуктуаций в реальные кванты назвали динамическим, или нестационарным, эффектом Казимира.
До недавнего времени эти исследования ограничивались чистой теорией. Прямое воспроизведение схемы Мура, разумеется, не под силу современным технологиям, которые не умеют разгонять зеркала из любых материалов до субсветовых скоростей. В научной литературе неоднократно обсуждались более практичные устройства для наблюдения динамического эффекта Казимира — например, пьезоэлектрические вибраторы и высокочастотные электромагнитные резонаторы. В последние годы физики, работающие в этой области, утвердились во мнении, что эти эксперименты вполне осуществимы.
Проверка на практике
Первыми успеха добились Кристофер Уилсон и его коллеги по Технологическому университету Чалмерса в шведском городе Гетеборге вместе с коллегами из Австралии и Японии. «Овеществление» виртуальных фотонов происходило около волновода из алюминия, подключенного к сверхпроводящему квантовому интерферометру (два джозефсоновских туннельных перехода, параллельно соединенных в замкнутый контур). Экспериментаторы изменяли индуктивность этого контура, пропуская через него магнитный поток, осциллирующий с частотой порядка 11 ГГц. Колебания индуктивности сказывались на электрической длине волновода, которая осциллировала с вполне релятивистской скоростью (около четверти скорости распространения электромагнитных волн в волноводе, которая примерно равнялась 40% скорости света в вакууме). Волновод, как и ожидалось, излучал фотоны, извлеченные из вакуумных флуктуаций. Спектр этого излучения соответствовал теоретическим предсказаниям.
Однако использовать эту установку для получения энергии из вакуума невозможно: энергия полученного излучения неизмеримо слабее мощности, которую приходится закачивать в прибор. Это же справедливо и для прочих устройств, которыми можно воспользоваться для наблюдения динамического эффекта Казимира. В общем, вакуум — это вовсе не нефтеносный слой.
Наблюдение эффекта Казимира. Нулевые колебания квантовых полей
Эффект Казимира также, как лэмбовский сдвиг, является проявлением наличия квантовополевого электромагнитного вакуума, заполненного флуктуациями электромагнитного поля. В случае лэмбовского сдвига этот вакуум искажался кулоновским полем ядра, что перераспределяло энергии флуктуаций в зависимости от расстояния до ядра (так называемая поляризация вакуума). Неоднородная поляризация вакуума, в свою очередь, приводила к зависимости величины лэмбовского сдвига энергии электрона от его расстояния до ядра. Самые близкие к ядру ‑электроны имели наибольший сдвиг из-за взаимодействия с флуктуациями.
В случае эффекта Казимира неоднородность флуктуаций создается проводником (или даже диэлектриком), помещенным в вакуум . Мы будем рассматривать классический пример эффекта Казимира - взаимодействие двух бесконечных параллельных идеально проводящих пластин в вакууме. Из-за идеальной проводимости этих пластин электрическое поле внутри них должно отсутствовать, а на их поверхности должно иметь только нормальную составляющую. Эти граничные условия для электрического поля физически обусловлены взаимодействием с электронами проводимости внутри пластин и имеют место как для классического электрического поля, так и для поля вакуумных флуктуаций - как говорят, поля нулевых колебаний . В результате эти нулевые колебания перераспределяются в пространстве между пластинами, а также в пространстве за пластинами . Электромагнитное поле, как и все материальные поля и частицы, имеет энергию, поэтому флуктуации этого поля также обладают энергией. Оказывается, что энергия перераспределенных в пространстве нулевых колебаний электромагнитного поля зависит от расстояния между пластинами ! Другими словами, если мы изменяем расстояние между пластинами, мы изменяем и энергию нулевых колебаний поля между ними и с внешних сторон от пластин. Получается, что при изменении расстояния между пластинами на мы совершаем дополнительную работу на изменение энергии флуктуаций (ведь энергия этих флуктуаций не есть «энергия из ничего», как нередко утверждается!). Чтобы совершить такую работу, мы должны приложить к пластинам силу , такую, что . Отсюда следует очевидный вывод: раз для перемещения пластин мы должны прикладывать к ним дополнительную силу , то на пластины действует сила Казимира , равная
против действия которой нам и приходится работать.
В случае электромагнитного поля эту силу нетрудно вычислить, и она оказывается равной
где - площадь пластин. Знак минус соответствует притяжению пластин. Таким образом, вакуум между пластинами обладает отрицательным давлением (натяжением) , которое и притягивает пластины друг к другу.
Эффект Казимира был предсказан в 1948 году голландским физиком Хендриком Бругтом Герхардом Казимиром (1909–2000) и датчанином Дирком Полдером (1919–2001) на основе другой, эквивалентной модели - а именно, на основе аналогий с силами Ван дер Ваальса. Эти силы дальнодействующего притяжения между атомами приводят к известному даже из школьной программы уравнению Ван дер Ваальса для реального газа и убывают с расстоянием как . Окончательная теория этих сил была создана только в XX веке на основе квантовой механики. Согласно этой теории электронная оболочка атома может виртуально сдвинуться, так, что ее центр окажется на ненулевом расстоянии от ядра. В этом случае центры положительного и отрицательного зарядов в атоме уже не будут совпадать, т.е. у него появится ненулевой дипольный момент . Этот виртуальный дипольный момент создаст виртуальное электрическое поле в пространстве вокруг себя, которое, в свою очередь, будет вызывать такую же дипольную поляризацию других атомов - и, как результат, взаимодействие между ними. В классической физике для реализации данного механизма необходим источник энергии, который будет иногда переводить атомы в неравновесное, поляризованное состояние. Например, таким источником может служить тепловое движение атомов. Тем не менее, опыты показывают, что силы Ван дер Ваальса практически не зависят от температуры - стало быть, этот источник флуктуаций имеет другую природу. Оказалось, что флуктуации имеют квантовую природу и проявляются в считавшемся классическим вандерваальсовском взаимодействии.
Казимир предположил, что точно такой же процесс может иметь место в случае параллельных пластин. Действительно, уединенная пластина остается нейтральной, поскольку перераспределение зарядов на ней создаст электрическое поле, стремящееся снова вернуть ее в равновесное состояние полной электронейтральности. Однако при наличии второй пластины поляризация первой встретит на ней отклик в виде притяжения - и эти отклики, сложенные для всех возможных состояний виртуальной поляризации первой пластины, и должны дать силу их притяжения. Качественно показать это можно с использованием метода отражений. Действительно, пусть на первой пластине возникло элементарное дипольное возбуждение в виде двух равных по модулю и противоположных по величине зарядов (см. рис. выше). Пусть -дипольный момент образовавшейся конфигурации. Тогда сила взаимодействия этого диполя со второй пластиной рассчитывается, если отразить каждый из зарядов относительно последней, изменив при этом их знак. В результате мы получаем дипольный момент , расположенный на расстоянии от первого. Сила взаимодействия этих диполей легко считается, и ее нормальная к пластинам компонента оказывается равной
где знак минус выбран, чтобы подчеркнуть притяжение ко второй пластине.
Между прочим, аналог эффекта Казимира известен в мореплавании: если два судна подойдут достаточно близко борт к борту, то между ними море начинает волноваться слабее, и давление волн с внешних сторон кораблей начинает прибивать их друг к другу. Квантовый эффект Казимира вносит существенный вклад в эффекты, происходящие в малом объеме, в частности, он должен учитываться при расчете энергии ядер. Эффект Казимира также оказывает влияние на физику коллоидных растворов. Эффект Казимира интересен и с точки зрения моделей с гравитацией, поскольку вакуум между пластинами обладает локально отрицательной плотностью энергии флуктуаций, а значит, может, по идее, создавать антигравитационный эффект. По этой причине казимировский вакуум относят к так называемой экзотической материи . Такая материя необходима, например, для стабилизации кротовых нор (тоннелей в пространстве-времени), поэтому в теории таких образований эффект Казимира занимает важное место. В казимировском вакууме также предсказывается сверхсветовое распространение электромагнитных волн (так называемый эффект Шарнхорста). Однако этот эффект очень мал и поэтому пока не наблюдался в эксперименте.
Первые экспериментальные оценки по эффекту Казимира, обладавшие точностью порядка , были получены через 10 лет после появления его гипотезы. В частности, первый эксперимент с параллельными пластинами поставил в 1958 году Маркус Спаарней. Он использовал конденсатор, составленный из двух параллельных пластин, верхняя из которых была подвешена на пружине. При подведении к конденсатору напряжения на его пластинах наводится заряд , и пружина растягивается, пока сила Казимира, сила электростатического притяжения, сила тяжести и сила ньютоновского притяжения между пластинками (да, ее тоже надо учитывать!) не уравновесят силу упругости со стороны растянутой пружины. Соответствующее уравнение для точки равновесия имеет вид.
Эффект Казимира может достигать существенных величин, но только на дистанциях меньше сотни нанометров. Поэтому не смотря на то, что теоретически этот эффект был предсказан Хендриком Казимиром ещё в 1948 году, экспериментальное подтверждение его появилось только в 1997 году (спустя 49 лет). Подтверждения же открытого Евгением Лифшицем в 1956 году эффекта отталкивания и вовсе пришлось ждать 53 года – оно было подтверждено только в 2009 году.
Существовавший в классической механике «пустой» вакуум на поверку оказался не столь пустым: при изучении эффектов квантовой механики оказалось, что он заполнен парами виртуальных частиц, которые непрерывно образуются и аннигилируют между собой. При этом если поместить на очень близком расстоянии две параллельные пластины из проводников электрического тока, то образующиеся при этом частицы будут гаситься из-за эффекта интерференции волн. Чем ближе будут расположены пластины – тем меньше будет оставаться виртуальных частиц между ними, при этом во внешней среде их число будет оставаться прежним (как и производимое ими давление) что будет создавать всё большую силу, направленную на притяжение пластин.
Аналог этого явления, основанный на интерференции волн в водной среде
Эффект притяжения
На расстоянии 10 нанометров между пластинами эта сила может создавать давление близкое к атмосферному, но так как его сила падает в 4 степени от дистанции – его величина на дистанции уже в 100 нанометров становится трудно регистрируемой. Этот эффект предложен для использования в различных наномеханических системах и даже в качестве замены экзотической материи для и стабилизации червоточин.
Эффект отталкивания
В 1956 году Евгений Лифшиц показал, что если заполнить промежуток между двумя поверхностями диэлектрическим материалом, то это явление может поменять свой знак. Первый эксперимент подтверждающей этот эффект заключался в прижатии позолоченного шарика диаметром всего в 40 мкм к золотой плёнке и кремниевой пластине (для измерения эффекта притяжения и отталкивания соответственно) размещённых в жидкой среде – бромбензоле. Авторы этой работы, опубликованной в Nature в 2009 году, указывают на то что смешение двух или более жидкостей может позволить добиться отталкивания при малых дистанциях и притяжение при больших, что позволит в свою очередь создать механизмы с очень низким коэффициентом трения.
Результаты эксперимента: синей линией показаны результаты для силы отталкивания, жёлтым — для силы притяжения. Уже на дистанции в 80 нм измеряемые силы становятся сравнимы с погрешностями измерений.
Динамический эффект
Это явление заключается в том, что если зеркало движется с релятивистской скоростью, то часть из виртуальных пар частиц не успевает проаннигилировать и разделяется, превращаясь тем самым в реальные фотоны. Существование такого эффекта было предсказано в середине 70-х Джулианом Швингером и подтверждено учёными в 2011 году. Для проведения эксперимента они использовали сверхпроводящий квантовый интерферометр, который мог имитировать электромагнитное зеркало, движущееся со скоростью в 5% от скорости света. Это явление не нарушает закона сохранения энергии (как могло бы показаться), так как на приведение в движение зеркала расходуется энергия. На данный момент оно рассматривается только как гипотетическая двигательная установка на подобие проходящего сейчас испытания сразу в нескольких местах