Ефект Казимира: Сила з нічого

Вакуум не є порожнім

У квантовій теорії поля навіть основний стан електромагнітного поля — те, що ми називаємо «вакуумом» — має коливання енергії нульової точки. Кожен режим поля поводиться як власний квантовий гармонічний осцилятор, і кожен з них несе неподіжну основну енергію ħω/2 навіть при відсутності фотонів. Підсумовуючи безліч можливих режимів поля, ми формально отримуємо нескінченну загальну вакуумну енергію, яка зазвичай розглядається як неспостережувана константа, що віднімається — за винятком того, що граничні умови визначають, які режими дозволено існувати в даній області, тому різниця у вакуумній енергії між двома геометріями може бути кінцевою та вимірюваною.

Прогноз Ганса Казимира 1948 року

Ганс Казімер, працюючи в Philips, показав, що дві паралельні, не заряджені та ідеально провідні пластини, розділені невеликим зазором, обмежують кількість електромагнітних мод, які можуть існувати у просторі між ними – лише моди з напівцілим числом довжин хвиль, що точно поміщаються між пластинами, відповідають граничним умовам. Як і струна гітари, вони можуть вібрувати лише за певних довжин хвиль – тоді як моди зовні пластин практично не обмежуються. Ця асиметрія між обмеженим спектром всередині та безперервним зовні створює чистий вхідний випромінювальний тиск: необмежений вакуум зовні діє сильніше, ніж обмежений вакуум всередині, і пластини притягуються одна до одної.

F/A = -(π² ħ c) / (240 d⁴)     (ideal parallel conducting plates)

d = plate separation
Force per unit area scales as 1/d⁴ — grows extremely fast as the gap shrinks

Вимірювання цього ефекту

Оскільки сила масштабується як 1/d⁴, вона незначна на щоденних відстанях і стає помітною лише при мікро- та субмікронних відособленнях. Прогноз Казимира 1948 року протягом десятиліть залишався переважно неперевіреним; спроба Маркуса Спарнаа 1958 року показала результати, узгоджені з теорією, але з приблизно 100% невизначеністю, що було надто неточно, щоб вважатися підтвердженням. Визначене вимірювання було здійснено Стівеном Ламореу в 1997 році, використовуючи тангенс для узгодження передбаченої сили з точністю до кількох відсотків, а потім незалежне вимірювання силового мікроскопа від групи Умара Мохідеена в 1998 році та пізніше експерименти на основі MEMS у широкому діапазоні відособлень. Майже всі ці використовують геометрію куля-пластина замість двох плоских пластин, оскільки підтримка двох макроскопічних плоских пластин паралельними на субмікронних відстанях є механічно надзвичайно складною; стандартна математична апроксимація перетворює вимірювання куля-пластини на еквівалентну силу плоскої пластини.

Практична проблема для нанотехнологій

Це не просто екзотична лабораторна дивовижка. Зі зменшенням розмірів пристроїв MEMS та NEMS — мікро- та наноелектромеханічних систем — рухомі частини, розділені зазорів у межах мікрометра, справді відчувають притягання Казимира, іноді стаючи домінуючою силою в системі. Якщо цю силу не контролювати, компоненти можуть постійно «застрягати» разом – це реальний режим відмови в інженерних системах комерційного призначення. Це стимулює дослідження відштовхувальних сил Казимира, які можна досягти за допомогою певних заповнених рідинами проміжків або конкретних комбінацій екзотичних матеріалів, як можливе рішення для проєктування майбутніх наномеханізмів.

Пов'язані та іноді плутані ефекти

Ефект Казимира тісно пов’язаний з, але відрізняється від звичайних ван-дер-ваальсових сил — короткочасного притягання між нейтральними атомами або молекулами, спричиненого коливаннями дипольних взаємодій. Теорія Казимира-Полдера (розроблена спільно з Дірком Полдером у повному обсязі в оглядовому 1948 році) розширює ту ж основну фізику для макроскопічних провідників і для більших відстаней, де важливе затримка через кінцеву швидкість світла. Інший, пізніше передбачений феномен — динамічний ефект Казимира — показує, що швидко рухаються або вібруючі межі можуть перетворювати віртуальні фотони вакууму на реальні, виявлювані фотони; це було підтверджено експериментально за допомогою надпровідних ланцюгів близько 2011 року.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Casimir Effect і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.