Эффект казимира: Эффект Казимира позволил управлять мельчайшими объектами

Эффект Казимира позволил управлять мельчайшими объектами

Команда из американских и австралийских физиков использовала эффект Казимира для удержания и перемещения тонкой мембраны. Сам эффект заключается в притяжении двух проводящих тел на небольшом расстоянии из-за флуктуаций виртуальных и термических фотонов. Ученые научились использовать это явление для контроля напряжения и добротности тончайшей пластинки. В будущем это потенциально поможет создать инструментарий для дистанционного управления системами резонаторов без введения в них энергетических потерь. Статья опубликована в журнале Nature Physics.

Согласно квантовой теории поля, в нашем мире не существует абсолютного вакуума. Даже если каким-то образом полностью избавиться от материи в некоторой области пространства, на ее месте непрерывно будут рождаться и исчезать пары из виртуальных частиц и античастиц. Такому явлению сопутствуют флуктуации связанных с этими частицами полей, в том числе электромагнитных, квантами которых являются фотоны. В любой точке пространства непрерывно рождаются и исчезают виртуальные фотоны произвольной частоты, однако на их спектр можно наложить ограничения. Так, между двумя параллельными проводящими пластинами может родиться только виртуальный фотон, частота которого соответствует длине стоячей волны между этими проводниками. При этом снаружи пластин таких ограничений нет, а значит виртуальных фотонов там будет больше. Поэтому давление этих квантов электромагнитного поля на внешние стенки пластин будет превышать давление на внутренние, из-за чего проводники будут притягиваться. Этот эффект в 1948 году открыл голландский физик Хендрик Казимир.

Позже этот эффект теоретически обобщили на тела произвольной формы и различной диэлектрической проницаемости, однако достаточно точные эксперименты по проверке предсказаний Казимира удалось поставить только в 1997 году. Недавно стало известно и о подтверждении теоретически предсказанного термического эффекта Казимира — похожего явления, которое можно наблюдать при ненулевых температурах. Он происходит не из-за рождения и исчезновения виртуальных частиц, а из-за вполне реальных термических фотонов. Они, в свою очередь, как и в классическом эффекте Казимира, порождают флуктуации электромагнитного поля, но природа этих колебаний уже не квантовая, а термическая.

Сейчас появляется все больше и больше указаний на то, что сила Казимира может оказаться очень полезным инструментом для физиков. Так, Джейкоб Пэйт (Jacob Pate) из Калифорнийского университета в своей работе предложил способ исследования эффекта Казимира с помощью микроволнового резонатора и его использование для изменения механических характеристик тонких проводящих мембран. Чтобы исследовать силу Казимира, Пэйт и его коллеги помещали тонкие мембраны из нитрида кремния с металлическим напылением рядом с пластиной микроволнового резонатора на расстоянии около микрометра. Это расстояние напрямую влияло на генерируемую резонатором частоту, которая использовалась как чувствительный индикатор положения мембраны. Чем меньше зазор между мембраной и пластиной резонатора — тем сильнее сила Казимира, притягивающая мембрану к резонатору. Именно ее величину пытались определить исследователи, расположив над мембраной электрод, который притягивал эту тонкую пластинку в противовес силе Казимира. По реакции мембраны на силу притяжения электрода ученые могли сказать, как сильно эффект Казимира удерживает ее в исходном положении.

Так физики отследили зависимость силы Казимира от расстояния между мембраной и пластиной резонатора, а также показали ранее не наблюдавшуюся нелинейность этой зависимости для некоторых исходных значений ширины зазора. Большое внимание авторы уделили и тому, как именно сила Казимира влияет на механические характеристики мембраны. Для этого они подавали на электрод периодически изменяющееся напряжение, тем самым заставляя мембрану дрожать с частотой собственных акустических колебаний. Оказалось, что эффект Казимира накладывал на мембрану сильные граничные условия, что приводило к резкому изменению мод колебаний пластинки и к увеличению ее добротности.

Авторы уверены, что обнаруженный эффект может очень пригодиться исследователям, которые занимаются резонансами механических, оптических и даже электрических систем. Ведь сила Казимира дает возможность накладывать на подобные мембранные резонаторы сложные граничные условия, регулировать их степени свободы, при этом оставляя объект исследования подвешенным в воздухе и не внося в него лишние колебания. Важно и то, что таких результатов физики добились при комнатных температурах, ведь в таких условиях любой прямой контакт исследуемой системы с окружающей средой непременно приведет к тепловому «загрязнению» объекта исследований.

Но не всегда эффект Казимира приводит к притяжению: ученые из Гонконга уже научились достигать отталкивания наноструктур с помощью этого эффекта. Форму исследуемых объектов уже тоже можно варьировать. К примеру, в 2018 году получилось измерить силу Казимира между двумя проводящими сферами.

Никита Козырев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Эффект Казимира | это… Что такое Эффект Казимира?

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 на близком расстоянии, однако эффект Казимира существует и при более сложных геометриях.

Причиной эффекта Казимира являются энергетические колебания физического вакуума из-за постоянного рождения и исчезновения в нём виртуальных частиц. Эффект был предсказан голландским физиком Хендриком Казимиром (Hendrik Casimir, 1909—2000) в 1948 году, а позднее подтверждён экспериментально.

Суть эффекта

Согласно квантовой теории поля, физический вакуум представляет собой не абсолютную пустоту. В нём постоянно рождаются и исчезают па́ры виртуальных частиц и античастиц — происходят постоянные колебания (флуктуации) связанных с этими частицами полей. В частности, происходят колебания связанного с фотонами электромагнитного поля. В вакууме рождаются и исчезают виртуальные фотоны, соответствующие всем длинам волн электромагнитного спектра. Однако в пространстве между близко расположенными зеркальными поверхностями ситуация меняется. На определённых резонансных длинах (целое или полуцелое число раз укладывающихся между поверхностями), электромагнитные волны усиливаются. На всех остальных же длинах, которых больше, напротив, подавляются (то есть, подавляется рождение соответствующих виртуальных фотонов). Происходит это вследствие того, что в пространстве между пластинами могут существовать только стоячие волны, амплитуда которых на пластинах равна нулю. В результате, давление виртуальных фотонов изнутри на две поверхности оказывается меньше, чем давление на них извне, где рождение фотонов ничем не ограничено. Чем ближе друг к другу поверхности, тем меньше длин волн между ними оказывается в резонансе и больше — оказывается подавленными. Такое состояние вакуума в литературе иногда называется вакуумом Казимира. Как следствие, растёт сила притяжения между поверхностями.

Явление можно образно описать как «отрицательное давление», когда вакуум лишён не только обычных, но и части виртуальных частиц, то есть «откачали всё и ещё чуть-чуть».

Аналогия

Явление, схожее с эффектом Казимира, наблюдалось ещё в XVIII веке французскими моряками. Когда два корабля, раскачивающихся из стороны в сторону в условиях сильного волнения, но слабого ветра, оказывались на расстоянии менее приблизительно 40 метров, то в результате интерференции волн в пространстве между кораблями прекращалось волнение. Спокойное море между кораблями создавало меньшее давление, чем волнующееся с внешних бортов кораблей. В результате возникала сила, стремящаяся столкнуть корабли бортами. В качестве контрмеры, руководство по мореплаванию начала 1800-х годов рекомендовало обоим кораблям послать по шлюпке с 10—20 моряками, чтобы расталкивать корабли.

Также эффект напоминает кинетическую теорию гравитации Лесажа, заключающуюся в сталкивании тел друг с другом под давлением неких гипотетических частиц.

Величина силы Казимира

Сила притяжения, действующая на единицу площади для двух параллельных идеальных зеркальных поверхностей, находящихся в абсолютном вакууме, составляет

,

где

 — приведённая постоянная Планка,

 — скорость света в вакууме,

 — расстояние между поверхностями.

Отсюда видно, что сила Казимира крайне мала. Расстояние, на котором она начинает быть сколько-нибудь заметной, составляет порядка нескольких микрон. Однако, будучи обратно пропорциональной 4-й степени расстояния, она очень быстро растёт с уменьшением последнего. На расстояниях порядка 10 нм — сотни размеров типичного атома — давление, создаваемое эффектом Казимира, оказывается сравнимым с атмосферным.

В случае более сложной геометрии (например, взаимодействия сферы и плоскости или взаимодействие более сложных объектов) численное значение и знак коэффициента меняется^[1], таким образом сила Казимира может быть как силой притяжения, так и силой отталкивания.

Несмотря на то, что в формуле для силы Казимира отсутствует постоянная тонкой структуры  — основная характеристика электромагнитного взаимодействия, — этот эффект, тем не менее, имеет электромагнитное происхождение. Как показано в заметке^[2], при учёте конечной проводимости пластин появляется зависимость от , а стандартное выражение для силы появляется в предельном случае , где  — плотность электронов в пластинке.

История открытия

Хедрик Казимир работал в Philips Research Laboratories в Нидерландах, занимаясь изучением коллоидных растворов — вязких веществ, имеющих в своём составе частички микронных размеров. Один из его коллег, Тео Овербек (Theo Overbeek), обнаружил, что поведение коллоидных растворов не вполне согласуется с существующей теорией и попросил Казимира исследовать эту проблему. Вскоре Казимир пришёл к выводу, что отклонения от предсказываемого теорией поведения может быть объяснено, если учитывать влияние флуктуаций вакуума на межмолекулярные взаимодействия. Это и натолкнуло его на вопрос, какое воздействие могут оказать флуктуации вакуума на две параллельные зеркальные поверхности, и привело к знаменитому предсказанию о существовании между последними притягивающей силы.

Экспериментальное обнаружение

Когда в 1948 году Казимир сделал своё предсказание, несовершенство существовавших технологий и крайняя слабость самого́ эффекта делали его экспериментальную проверку чрезвычайно трудной задачей. Один из первых экспериментов провёл в 1958 году Маркус Спаарней (Marcus Spaarnay) из центра Philips в Эйндховене. Спаарней пришёл к выводу, что его результаты «не противоречат теоретическим предсказаниям Казимира». В 1997 году началась серия гораздо более точных экспериментов, в которых было установлено согласие между наблюдаемыми результатами и теорией с точностью более 99 %.

В 2011 году группа ученых из технологического университета Чалмерса подтвердила динамический эффект Казимира. В эксперименте, благодаря модификации СКВИДа, учёные получили подобие зеркала, которое под воздействием магнитного поля колебалось со скоростью около 5 % от световой. Этого оказалось достаточно для того, чтобы наблюдать динамический эффект Казимира: СКВИД испускал поток микроволновых фотонов, причём их частота была равна половине частоты колебаний «зеркала». Именно такой эффект предсказывала квантовая теория^[3][4]. В данный момент ожидается повторение эксперимента какой-либо другой группой ученых.

В 2012 году группа исследователей из Флоридского университета сконструировала первую микросхему для измерения силы Казимира между электродом и кремниевой пластиной толщиной 1,42 нм при комнатной температуре. Устройство работает в автоматическом режиме и снабжено актуатором, который регулирует расстояние между пластинами от 1,92 нм до 260 нм, соблюдая параллельность. Результаты измерений довольно точно совпадают с теоретически рассчитанными значениями. Данный эксперимент доказывает, что на малых расстояниях сила Казимира может быть основной силой взаимодействия между предметами. ^[5]

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

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. ↑ Статья о динамическом эффекте Казимира в журнале Nature
5. ↑ Первый чип для измерения силы Казимира

Ссылки

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

сила из ничего – Physics World

Сила притяжения между двумя поверхностями в вакууме, впервые предсказанная Хендриком Казимиром более 50 лет назад, может влиять на все, от микромашин до единых теорий природы.

Рисунок 1

Что произойдет, если взять два зеркала и расположить их так, чтобы они смотрели друг на друга в пустом пространстве? Ваша первая реакция может быть «вообще ничего». На самом деле оба зеркала притягиваются друг к другу просто из-за наличия вакуума. Это поразительное явление было впервые предсказано в 1948 голландским физиком-теоретиком Хендриком Казимиром, когда он работал в исследовательской лаборатории Philips в Эйндховене над коллоидными растворами (см. вставку). Это явление теперь называют эффектом Казимира, а сила между зеркалами известна как сила Казимира.

В течение многих лет эффект Казимира был не более чем теоретической диковинкой. Но интерес к этому явлению возрос в последние годы. Физики-экспериментаторы поняли, что сила Казимира влияет на работу микромеханических устройств, а достижения в области приборов позволили измерять эту силу с еще большей точностью.

Новый энтузиазм вызвала и фундаментальная физика. Многие теоретики предсказывали существование «больших» дополнительных измерений в 10- и 11-мерных единых полевых теориях фундаментальных сил. Они говорят, что эти размеры могут изменить классическую ньютоновскую гравитацию на субмиллиметровых расстояниях. Таким образом, измерение эффекта Казимира может помочь физикам проверить обоснованность таких радикальных идей.

Казимир и коллоиды

Тот факт, что между двумя проводящими металлическими пластинами существует сила притяжения, впервые был предсказан в 1948 году Хендриком Казимиром из исследовательской лаборатории Philips в Нидерландах. Однако в то время Казимир изучал свойства «коллоидных растворов». Это вязкие материалы, такие как краска и майонез, которые содержат частицы микронного размера в жидкой матрице. Свойства таких растворов определяются силами Ван-дер-Ваальса — дальнодействующими силами притяжения, которые существуют между нейтральными атомами и молекулами. Один из коллег Казимира, Тео Овербик, понял, что теория, которая использовалась в то время для объяснения сил Ван-дер-Ваальса и была разработана Фрицем Лондоном в 1932 году, не могла должным образом объяснить экспериментальные измерения коллоидов. Поэтому Овербек попросил Казимира исследовать проблему. Работая с Дирком Полдером, Казимир обнаружил, что взаимодействие между двумя нейтральными молекулами может быть правильно описано, только если принять во внимание тот факт, что свет распространяется с конечной скоростью. Вскоре после этого Казимир заметил, что этот результат можно интерпретировать в терминах флуктуаций вакуума. Затем он спросил себя, что произошло бы, если бы в вакууме было два зеркала, а не две молекулы, обращенные друг к другу. Именно эта работа привела к его знаменитому предсказанию силы притяжения между отражающими пластинами.

Вернуться к тексту

Понимание силы Казимира

Хотя сила Казимира кажется совершенно нелогичной, на самом деле она хорошо изучена. В старые времена классической механики представление о вакууме было простым. Вакуум — это то, что останется, если очистить контейнер от всех его частиц и снизить температуру до абсолютного нуля. Однако появление квантовой механики полностью изменило наше представление о вакууме. Все поля, в частности электромагнитные поля, имеют флуктуации. Другими словами, в любой данный момент их действительное значение колеблется вокруг постоянного среднего значения. Даже идеальный вакуум при абсолютном нуле имеет флуктуирующие поля, известные как «вакуумные флуктуации», средняя энергия которых соответствует половине энергии фотона.

Однако флуктуации вакуума не являются какой-то абстракцией ума физика. Они имеют наблюдаемые последствия, которые можно непосредственно визуализировать в экспериментах на микроскопическом уровне. Например, атом в возбужденном состоянии не останется в нем бесконечно долго, а вернется в свое основное состояние, спонтанно испустив фотон. Это явление является следствием флуктуаций вакуума. Представьте, что вы пытаетесь держать карандаш вертикально на кончике пальца. Он останется там, если ваша рука совершенно устойчива и ничто не нарушает равновесия. Но малейшее возмущение заставит карандаш упасть в более устойчивое положение равновесия. Точно так же флуктуации вакуума заставляют возбужденный атом переходить в основное состояние.

Сила Казимира — самый известный механический эффект колебаний вакуума. Зазор между двумя плоскими зеркалами рассмотрим как полость (рис. 1). Все электромагнитные поля имеют характерный «спектр», содержащий множество различных частот. В свободном вакууме все частоты одинаково важны. Но внутри полости, где поле отражается между зеркалами туда-сюда, ситуация иная. Поле усиливается, если целые числа, кратные половине длины волны, могут точно поместиться внутри резонатора. Эта длина волны соответствует «резонансу полости». На других длинах волн, напротив, поле подавлено. Вакуумные флуктуации подавляются или усиливаются в зависимости от того, соответствует ли их частота резонансу резонатора или нет.

Важной физической величиной при обсуждении силы Казимира является «радиационное давление поля». Каждое поле — даже поле вакуума — несет энергию. Поскольку все электромагнитные поля могут распространяться в пространстве, они также оказывают давление на поверхности, подобно тому, как текущая река толкает шлюз. Это радиационное давление увеличивается с энергией — и, следовательно, с частотой — электромагнитного поля. На резонансной частоте резонатора радиационное давление внутри резонатора сильнее, чем снаружи, и поэтому зеркала раздвигаются. Вне резонанса, напротив, радиационное давление внутри резонатора меньше, чем снаружи, и зеркала притягиваются друг к другу.

Получается, что в целом привлекательные компоненты оказывают чуть более сильное воздействие, чем отталкивающие. Таким образом, для двух идеальных плоских параллельных зеркал сила Казимира притягивается, и зеркала притягиваются друг к другу. Сила F пропорциональна площади поперечного сечения A зеркал и увеличивается в 16 раз каждый раз, когда расстояние d между зеркалами уменьшается вдвое: F ~ A / д ⁴ . Помимо этих геометрических величин сила зависит только от фундаментальных величин – постоянной Планка и скорости света.

Хотя сила Казимира слишком мала, чтобы ее можно было наблюдать для зеркал, находящихся на расстоянии нескольких метров друг от друга, ее можно измерить, если зеркала находятся в микронах друг от друга. Например, два зеркала площадью 1 см ² , разделенные расстоянием 1 мкм, обладают силой притяжения Казимира, равной примерно 10 ^-7 Н, что примерно равно весу капли воды диаметром полмиллиметра. Хотя эта сила может показаться небольшой, на расстояниях меньше микрометра сила Казимира становится самой сильной силой между двумя нейтральными объектами. Действительно, при расстоянии 10 нм — примерно в сто раз больше типичного размера атома — эффект Казимира создает давление, эквивалентное 1 атмосфере.

Хотя мы не имеем дело с такими малыми расстояниями напрямую в нашей повседневной жизни, они важны в наноразмерных структурах и микроэлектромеханических системах (МЭМС). Это «интеллектуальные» устройства микронного размера, в которых механические элементы и движущиеся части, такие как крошечные датчики и приводы, вырезаны на кремниевой подложке. Затем к устройству подключаются электронные компоненты для обработки информации, которую оно воспринимает, или для управления движением его механических частей. МЭМС имеют множество возможных применений в науке и технике и уже используются в качестве датчиков давления в автомобильных подушках безопасности.

Рисунок 2

Поскольку устройства МЭМС изготавливаются в микронном и субмикронном масштабе, сила Казимира может заставить мельчайшие элементы в устройстве слипаться, как недавно сообщили Майкл Рукс и его коллеги из Калифорнийского технологического института ( 2001 Phys. Rev. B 63 033402). Но сила Казимира также может быть использована с пользой. В прошлом году Федерико Капассо и его группа в Lucent Technologies продемонстрировали, как можно использовать силу для управления механическим движением МЭМС-устройства (2001 г., 9).0041 Наука 291 1941). Исследователи подвешивали поликремниевую пластину к торсионному стержню — крутящемуся горизонтальному стержню диаметром всего несколько микрон (рис. 2). Когда они приблизили металлизированную сферу к пластине, сила притяжения Казимира между двумя объектами заставила пластину вращаться. Они также изучили динамическое поведение устройства MEMS, заставив пластину колебаться. Сила Казимира уменьшила скорость колебаний и привела к нелинейным явлениям, таким как гистерезис и бистабильность в частотной характеристике генератора. По словам команды, поведение системы хорошо согласуется с теоретическими расчетами.

Измерение эффекта Казимира

Когда эффект Казимира был впервые предсказан в 1948 году, его было очень трудно измерить с помощью оборудования того времени. Один из первых экспериментов был проведен в 1958 году Маркусом Спаарнеем из Philips в Эйндховене, который исследовал силу Казимира между двумя плоскими металлическими зеркалами, сделанными из алюминия, хрома или стали. Спаарней измерил силу с помощью пружинных весов, удлинение которых определялось емкостью двух пластин. Чтобы сила Казимира не была заглушена электростатической силой, зеркала должны были оставаться нейтральными, сначала касаясь их друг друга перед каждым измерением. Спаарне также должен был следить за тем, чтобы плоские зеркала были точно параллельны друг другу, поскольку сила Казимира очень чувствительна к изменениям расстояния. Спаарне сумел преодолеть эти трудности и пришел к выводу, что его результаты «не противоречат теоретическому предсказанию Казимира».

Однако с тех пор сложное оборудование значительно облегчило изучение эффекта Казимира. Новое поколение измерений началось в 1997 году. Стив Ламоро, который тогда работал в Вашингтонском университете в Сиэтле, измерил силу Казимира между сферической линзой диаметром 4 см и оптической кварцевой пластиной диаметром около 2,5 см, обе из которых были покрыты медь и золото. Линза и пластина были соединены с торсионным маятником — крутящимся горизонтальным стержнем, подвешенным на вольфрамовой проволоке, — помещенным в цилиндрический сосуд под вакуумом. Когда Ламоро соединил линзу и пластину с расстоянием в несколько микрон друг от друга, сила Казимира сблизила два объекта и заставила маятник закрутиться. Он обнаружил, что его экспериментальные измерения согласуются с теорией с точностью до 5%.

Рисунок 3

Вдохновленные прорывом Ламоро, многие другие исследователи попробовали новые измерения Казимира. Умар Мохидин и его коллеги из Калифорнийского университета в Риверсайде, например, прикрепили полистироловую сферу диаметром 200 мкм к наконечнику атомно-силового микроскопа (рис. 3). В серии экспериментов они приблизили сферу, покрытую алюминием или золотом, к плоскому диску, также покрытому этими металлами, на расстояние 0,1 мкм. Возникающее притяжение между сферой и диском контролировалось по отклонению лазерного луча. Исследователи смогли измерить силу Казимира с точностью до 1% от ожидаемого теоретического значения.

Рисунок 4

Томас Эдерт из Королевского технологического института в Стокгольме, Швеция, также использовал атомно-силовой микроскоп для изучения эффекта Казимира. Он измерил силу между двумя покрытыми золотом цилиндрами, расположенными под углом 90° друг к другу и отстоящими друг от друга всего на 20 нм. Его результаты совпали с теорией в пределах 1% (рис. 4).

Однако очень немногие недавние эксперименты измеряли силу Казимира с использованием исходной конфигурации двух плоских параллельных зеркал. Причина в том, что зеркала должны быть идеально параллельны во время эксперимента, что сложно. Гораздо проще приблизить сферу к зеркалу, потому что расстояние между двумя объектами — это просто расстояние наибольшего сближения. Единственным недостатком использования сферы и плоского зеркала является то, что расчеты силы Казимира не так точны, как расчеты между двумя плоскими зеркалами. В частности, следует предположить, что вклады в силу между сферой и пластиной совершенно независимы в каждой точке. Это верно только в том случае, если радиус сферы намного больше, чем расстояние между ней и пластиной.

Единственный недавний эксперимент по воспроизведению оригинальной установки Казимира из двух плоских параллельных зеркал был проведен Джанни Каруньо, Роберто Онофрио и их коллегами из Падуанского университета в Италии. Они измерили силу между жесткой хромированной пластиной и плоской поверхностью кантилевера, изготовленного из того же материала, которые были разделены расстояниями в диапазоне 0,5-3 мкм (G Bressi et al. 2002 Phys. Rev. Lett. 88 041804). Исследователи обнаружили, что измеренная сила Казимира согласуется с ожидаемым теоретическим значением в пределах 15%. Это относительно плохое соответствие отражало технические трудности, связанные с экспериментом.

Улучшенные расчеты

Проблема с изучением эффекта Казимира заключается в том, что настоящие зеркала не похожи на идеально гладкие плоские зеркала, которые изначально рассматривал Хендрик Казимир. В частности, настоящие зеркала не отражают все частоты идеально. Некоторые частоты они отражают хорошо или даже почти идеально, тогда как другие отражают плохо. Кроме того, все зеркала становятся прозрачными на очень высоких частотах. При расчете силы Казимира необходимо учитывать частотно-зависимые коэффициенты отражения зеркал – проблема, впервые поставленная Евгением Лифшицем в середине 19-го века.50-х, а затем Юлиана Швингера и многих других.

Оказывается, измеренная сила Казимира между реальными металлическими зеркалами, находящимися на расстоянии 0,1 мкм друг от друга, составляет лишь половину теоретического значения, предсказанного для идеальных зеркал. Если это несоответствие не учитывать при сравнении экспериментальных данных с теорией, то экспериментальное измерение может быть ошибочно интерпретировано как новая сила. Мой коллега Серж Рейно и я учли реальное поведение зеркал в наших расчетах, используя физические свойства самих металлов. Мы обнаружили, что простые твердотельные модели зеркал соответствуют реальному поведению только выше 0,5 мкм.

Еще одна проблема с вычислением ожидаемой силы Казимира для реальной системы заключается в том, что эксперименты никогда не проводятся при абсолютном нуле, как изначально предполагалось в расчетах Казимира, а при комнатной температуре. Это приводит к тому, что в игру вступают как тепловые, так и вакуумные флуктуации. Эти тепловые флуктуации могут создавать собственное радиационное давление и создавать большую силу Казимира, чем ожидалось. Например, сила Казимира между двумя плоскими зеркалами, находящимися на расстоянии 7 мкм друг от друга, вдвое больше при комнатной температуре, чем при абсолютном нуле. К счастью, тепловые флуктуации при комнатной температуре важны только на расстояниях более 1 мкм, ниже которых длина волны флуктуаций слишком велика, чтобы поместиться внутри резонатора.

Несмотря на то, что температурная зависимость силы Казимира еще не изучена подробно экспериментально, ее необходимо учитывать при расчетах силы при расстояниях более 1 мкм. Многие исследователи решали эту проблему для идеально отражающих зеркал, в том числе Лифшиц и Швингер еще в 1950-х годах. Недавно его исследовали Майкл Бордаг из Лейпцигского университета, Бо Сернелиус из Линчепингского университета в Швеции, Галина Климчицкая и Владимир Мостепаненко из Университета Параиба в Бразилии, а также наша группа в Париже. Действительно, температурная зависимость силы Казимира некоторое время была предметом горячих споров в обществе. Однако теперь различные противоречия, по-видимому, разрешились, и это придало дополнительную мотивацию экспериментальному наблюдению влияния температуры на силу Казимира.

Третья и последняя проблема при вычислении силы Казимира заключается в том, что настоящие зеркала не бывают идеально гладкими. Большинство зеркал изготавливается путем покрытия подложки тонкой металлической пленкой методом «напыления». Однако при этом получаются пленки с шероховатостью около 50 нм. Хотя такая шероховатость невидима невооруженным глазом, она влияет на измерения силы Казимира, которая очень чувствительна к небольшим изменениям расстояния.

Мохидин и его группа в Калифорнии недавно использовали поверхностные деформации, чтобы показать, что две поверхности также могут иметь боковую силу Казимира, которая действует в параллельном, а не перпендикулярном направлении к поверхности зеркал. Для опытов были изготовлены специально гофрированные зеркала, поверхности которых были синусоидально изогнуты. Затем они перемещали зеркала параллельно друг другу так, чтобы пик одного зеркала последовательно проходил над пиками и впадинами другого зеркала. Исследователи обнаружили, что боковая сила Казимира изменяется синусоидально в зависимости от разности фаз между двумя гофрами. Величина силы была примерно в десять раз меньше, чем обычная сила Казимира между двумя зеркалами, находящимися на таком же расстоянии друг от друга. Боковая сила также возникает из-за флуктуаций вакуума.

Мехран Кадар и его коллеги из Массачусетского технологического института рассчитали теоретическое значение силы между двумя идеально отражающими гофрированными зеркалами, а Мохидин и его коллеги оценили боковую силу для металлических зеркал и нашли хорошее совпадение с экспериментом. Боковая сила Казимира может иметь еще одно следствие для микромашин.

Новая физика?

Эффект Казимира также может играть роль в точных измерениях силы между нанометровым и микрометровым масштабами. Ньютоновский закон обратных квадратов всемирного тяготения многократно проверялся на макроскопических расстояниях путем наблюдения за движением планет. Но до сих пор никому не удалось проверить закон на микронных масштабах с большой точностью. Такие тесты важны, потому что многие теоретические модели, пытающиеся объединить четыре фундаментальные силы природы, предсказывают существование ранее неизвестных сил, которые будут действовать в таких масштабах. Любое расхождение между экспериментом и теорией могло указывать на существование новых сил. Но не все потеряно, даже если оба значения совпадают: тогда измерения наложат новые ограничения на существующие теории.

Йенс Гундлах и его коллеги из Вашингтона, например, использовали торсионный маятник для определения гравитационной силы между двумя тестовыми массами, разделенными расстояниями от 10 мм до 220 мкм. Их измерения подтвердили, что в этом режиме действует ньютоновская гравитация, но на более коротких расстояниях доминирует сила Казимира. Тем временем Джошуа Лонг, Джон Прайс и их коллеги из Университета Колорадо — вместе с Эфраимом Фишбахом и коллегами из Университета Пердью — пытаются полностью исключить эффект Казимира из субмиллиметровых испытаний гравитации, тщательно выбирая материалы, используемые в эксперименте. .

Эта статья дает только представление о многих экспериментальных и теоретических исследованиях эффекта Казимира. Есть и много других интересных разработок. Например, многие группы изучают, что произойдет, если взаимодействие между двумя зеркалами опосредуется не электромагнитным полем, состоящим из безмассовых бозонов, а полями, состоящими из массивных фермионов, таких как кварки или нейтрино. Тем временем другие исследовательские группы изучают эффект Казимира с различными топологиями, такими как ленты Мёбиуса и объекты в форме пончиков.

Но, несмотря на интенсивные усилия исследователей в этой области, остается много нерешенных проблем, связанных с эффектом Казимира. В частности, кажущийся невинным вопрос о силе Казимира внутри одной полой сферы до сих пор является предметом оживленных споров. Люди даже не уверены, является ли сила притягательной или отталкивающей. Сам Хендрик Казимир задумался над этой проблемой еще в 1953 году, когда искал устойчивую модель электрона. Спустя полвека тайны силы Казимира, вероятно, будут развлекать нас еще долгие годы.

Что такое эффект Казимира?

Sciences

• 22 июня 1998 г.

• В Facebook

• . Электронная почта

• Версия для печати

Исследователи элементарных частиц из Северо-восточного университета Стивен Ройкрофт и Джон Суэйн объединили свои усилия
написать следующий ответ.

Чтобы понять Эффект Казимира, нужно сначала понять кое-что об
вакуум в космосе, как он рассматривается в квантовой теории поля. Современная физика вовсе не пуста, а предполагает, что вакуум полон.
флуктуирующих электромагнитных волн, которые никогда не могут быть полностью устранены, как океан с волнами, которые всегда
присутствует и никогда не может быть остановлен. Эти волны бывают всех возможных длин волн, и их присутствие подразумевает, что пустое пространство
содержит определенное количество энергии — энергии, которую мы не можем использовать, но которая всегда есть.

Теперь, если поставить зеркала
обращенные друг к другу в вакууме, некоторые волны будут помещаться между ними, отскакивая туда-сюда, а другие — нет. Как
два зеркала приближаются друг к другу, более длинные волны уже не подходят, в результате чего общее количество энергии в
вакуум между пластинами будет немного меньше, чем в других местах вакуума. Таким образом, зеркала будут притягивать каждого
с другой стороны, точно так же, как два объекта, удерживаемые вместе растянутой пружиной, будут двигаться вместе, когда энергия, запасенная в пружине, уменьшится.

Этот эффект, когда два зеркала в вакууме будут притягиваться друг к другу, называется эффектом Казимира. Впервые это было предсказано в
1948 год голландским физиком Хендриком Казимиром. Стив К. Ламоро, сейчас работающий в Лос-Аламосской национальной лаборатории, первоначально измерил
крошечная сила в 1996 году.

В целом верно, что количество энергии в части вакуума может быть изменено материалом вокруг
это, и термин «эффект Казимира» также используется в этом более широком контексте. Если зеркала движутся быстро, часть вакуумных волн
могут стать настоящими волнами. Джулиан Швингер и многие другие предположили, что этот «динамический эффект Казимира» может быть
отвечает за таинственное явление, известное как сонолюминесценция.

Один из самых интересных аспектов вакуума
энергия (с зеркалами или без них) такова, что, вычисленная в квантовой теории поля, она бесконечна! Для некоторых этот вывод означает, что
Космический вакуум может быть огромным источником энергии, называемой «нулевой точкой».
энергии.»

Но открытие также поднимает физическую проблему: нет ничего, что могло бы помешать произвольно малым волнам соответствовать
между двумя зеркалами, и существует бесконечное число этих длин волн.