Эфект Казіміра

Эфект Казіміра — эфект, які заключаецца ва ўзаемным прыцягненні праводзячых незараджаных цел 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 знікнення ў ім віртуальных часціц. Эфект быў прадказаны галандскім фізікам Хендрыкам Казімірам (Hendrik Casimir, 1909—2000) у 1948 годзе, а пазней пацверджаны эксперыментальна.

Сутнасць эфекту

Згодна з квантавай тэорыяй поля, фізічны вакуум прадстаўляе сабой не абсалютную пустату. У ім пастаянна 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 хваль электрамагнітнага спектра. Аднак у прасторы паміж блізка размешчанымі люстранымі паверхнямі сітуацыя мяняецца. На пэўных рэзанансных даўжынях (якія ўкладваюцца цэлую ці паўцэлую колькасць разоў паміж паверхнямі), электрамагнітныя хвалі ўзмацняюцца. На ўсіх астатніх жа даўжынях, якіх больш, наадварот, заглушаюцца (гэта значыць, падаўляецца нараджэнне адпаведных віртуальных фатонаў). Адбываецца гэта ад 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 меншы, чым ціск на іх звонку, дзе нараджэнне фатонаў нічым не абмежавана. Чым бліжэй адна да аднае паверхні, тым менш даўжынь хваль паміж імі аказваецца ў рэзанансе і больш — аказваецца падаўлена. 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 трошкі».

Аналогія

З'ява, падобная з эфектам Казіміра, назіралася яшчэ ў XVIII стагоддзі французскімі маракамі. Калі два карабля, якія разгойдваюцца з боку ў бок ва ўмовах моцнага хвалявання, але слабага ветру, аказваліся на адлегласці менш чым прыблізна 40 метраў, то ў выніку інтэрферэнцыі хваль у прасторы паміж караблямі спынялася хваляванне. Спакойнае мора паміж караблямі стварала меншы ціск, чым хвалі са знешніх бартоў караблёў. У выніку ўзнікала сіла, якая імкнулася сутыкнуць караблі бартамі. У якасці контрмеры, кіраўніцтва па мараплаўству 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 адно з адным пад ціскам нейкіх гіпатэтычных часціц.

Велічыня сілы Казіміра

Сіла прыцягнення, якая дзейнічае на адзінку плошчы $~F_{c}/A$ для дзвюх паралельных ідэальных люстраных паверхняў, якія знаходзяцца ў абсалютным вакууме, складае

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

дзе

$~\hbar$ — прыведзеная пастаянная Планка,

$~c$ — скорасць 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 адваротна прапарцыянальнай 4-й ступені адлегласці, яна вельмі хутка расце з памяншэннем апошняга. На адлегласцях парадку 10 нм — сотні памераў тыповага атама — ціск, які 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, 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, пры ўліку канечнай праводнасці пласцін паяўляецца залежнасць ад $~\alpha$, а стандартны выраз для сілы паяўляецца ў гранічным выпадку $\alpha \gg mc/4\pi \hbar nd^{4}$, дзе $n$ — шчыльнасць электронаў у пласцінцы.

Гісторыя адкрыцця

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 могуць быць растлумачаны, калі ўлічваць ўплыў флуктуацый вакууму на міжмалекулярныя ўзаемадзеянні. Гэта і навяло яго на пытанне, якое ўздзеянне могуць аказаць флуктуацыі вакууму на дзве паралельныя люстраныя паверхні, і прывяло да знакамітага прадказання пра існаванне паміж апошнімі прыцягвальнай сілы.

Эксперыментальнае выяўленне

Калі ў 1948 годзе Казімір зрабіў сваё прадказанне, недасканаласць тэхналогій і крайняя слабасць самога эфекту рабілі яго эксперыментальную праверку надзвычай цяжкай задачай. Адзін з першых эксперыментаў правёў ў 1958 годзе Маркус Спаарней (Marcus Spaarnay) з цэнтра Philips у Эйндхавене. Спаарней прыйшоў да высновы, што яго вынікі «не супярэчаць тэарэтычным прадказанням Казіміра». У 1997 годзе пачалася серыя значна больш дакладных эксперыментаў, у якіх была ўстаноўлена згода 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 са скорасцю 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. 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, падтрымліваючы паралельнасць. Вынікі вымярэнняў даволі дакладна супадаюць з тэарэтычна разлічанымі значэннямі. Дадзены эксперымент даказвае, што на малых адлегласцях сіла Казіміра можа быць асноўнай сілай узаемадзеяння паміж прадметамі.

Сучасныя даследаванні эфекту Казіміра

• 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
• улік эфекту Казіміра пры распрацоўцы высокаадчувальных МЭМС-прылад.

Эфект Казіміра ў літаратуры

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

Літаратура

• 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.

Спасылкі

• А. Ламбрехт — Эффект Казимира: сила «из ничего» Архівавана 5 сакавіка 2016.
• В. Мостепаненко — Эффект Казимира Архівавана 27 лістапада 2019.
• E. Л. Румянцев — Эффект Казимира или проблема вакуума
• Scientific.ru — Эффект Казимира — новые эксперименты
• Эффект Казимира на arxiv.org
• Эффект Казимира и гравитация