"Американские физики получили нечто из ничего"

Под таким интригующим заголовком была помещена информация в Интернете о недавнем эксперименте, проведенном в Калифорнийском университете группой физиков под руководством Умара Мохидина.

Речь идет об измерении так называемой силы Казимира - силы взаимодействия между очень близкими материальными объектами, странным образом возникающей в вакууме. Вакуум - это и есть то самое "ничто", из которого возникает вполне измеримое "нечто".

Эффект Казимира известен физикам уже достаточно давно. В 1948 году датский физик Хендрик Казимир в результате теоретических исследований предсказал, что если поместить в вакуум две незаряженные металлические пластины, расположив их параллельно и крайне близко одна к другой (на расстоянии порядка микрона), то между ними возникает взаимное притяжение. Сила притяжения обратно пропорциональна четвертой степени расстояния между пластинами, то есть с уменьшением расстояния резко возрастает. Но даже при субмикронных расстояниях она остается настолько малой, что экспериментально обнаружить эффект Казимира удалось только через десять лет после его предсказания, а провести непосредственные измерения - в 1996 году. Наиболее интересно то, что появление казимировского притяжения обусловлено свойствами вакуума - его квантовыми флуктуациями

Долгое время вакуум был синонимом полной пустоты, пространства, в котором ничего не происходит и происходить не может, так как в нем нет ни материальных частиц, ни энергии. Однако с развитием квантовой теории поля (квантовой электродинамики) выяснилось, что вакуум можно рассматривать как сцену, на которой разыгрываются некие виртуальные, то есть "ненаблюдаемые", процессы. Появился термин "физический вакуум", под которым понимают средоточие виртуальных частиц, непрерывно рождающихся на короткие мгновения и тут же исчезающих. В соответствии с современными представлениями, они рождаются пaрами "частица - античастица" и исчезают в результате аннигиляции. Так, виртуальная пара "электрон - позитрон" аннигилирует с образованием виртуального фотона, который снова превращается в электрон-позитронную пару и т. д. Рождение и уничтожение виртуальных частиц и есть квантовые флуктуации. Поскольку любые флуктуации - это колебания вокруг некоторого среднего значения, физический вакуум рассматривается как квантовая система в состоянии с минимальной энергией, в среднем равной нулю. Поэтому квантовые флуктуации вакуума часто называют нулевыми колебаниями электромагнитного поля.

частицами, которые не поддаются регистрации, но при определенных условиях становятся реальными - например, при наложении внешнего поля большой энергии. Кроме того, они могут оказывать действие на внесенные в вакуум реальные частицы и поля. Одним из таких действий и является эффект Казимира, суть которого, упрощенно говоря, сводится к следующему.

Согласно квантовой механике, в микромире каждая частица обнаруживает и волновые свойства. Это распространяется и на виртуальные частицы, причем нулевым колебаниям вакуума соответствуют различные длины волн. При эффекте Казимира две параллельные пластинки можно рассматривать как резонатор, в котором существуют только те волны, для которых соблюдается условие резонанса: на расстоянии L между пластинками укладывается целое число n полуволн. Максимально возможная длина волны будет при n=1 в пространстве между пластинками не могут рождаться виртуальные фотоны с длинами волн, превышающими 2-L. Поэтому плотность энергии нулевых колебаний в зазоре между пластинками меньше, чем снаружи, что и обусловливает притяжение пластинок.

Обеспечить параллельность пластинок при субмикронном зазоре чрезвычайно трудно, поэтому большинство экспериментов по исследованию эффекта Казимира проводили, заменяя одну из пластинок сферой. В этом случае сила притяжения обратно пропорциональна кубу расстояния между ней и пластинкой. В 1999 году такой эксперимент выполнили У. Мохидин и А. Рой в Калифорнийском университете. Притяжение между плоской и сферической металлическими поверхностями исследовали при помощи так называемого атомного силового микроскопа (см. "Наука и жизнь" № 9, 1989 г.). Был учтен вклад электростатических зарядов, неровности поверхностей и прочих мешающих факторов. Удалось также обнаружить предсказанную зависимость величины эффекта от температуры тел. Эксперименты подтвердили теорию с точностью до 1%.

Другие исследования эффекта Казимира в конфигурации "плоскость - сфера" были выполнены в 2001 году группой физиков из Bell Laboratories и Lucent Technologies (Г. Чан и др.). Пластина, положенная на два параллельных тонких пьезоэлектрода, могла наклоняться в обе стороны относительно середины, образуя крутильный маятник с малой амплитудой, а сфера располагалась над одним из "крыльев" пластины. Выполненные измерения привели исследователей к выводу, что эффект Казимира будет играть роль неустранимой помехи в микромашинах будущего с движущимися частями. Как бы мы ни старались: устраняли электростатические силы, создавали между движущимися частями глубокий вакуум, чтобы избежать трения, отдельные детали механизма все равно станут притягиваться за счет силы Казимира!

Величина этой силы, однако, зависит от геометрии поверхностей. В случае пластин она всегда действует перпендикулярно их плоскости. В 1997 году физик из Массачусетского технологического института М. Кардар предположил, что, если две пластины сделать рифлеными, можно заставить силу Казимира действовать вдоль поверхности, пластины будут не притягиваться, а смещаться, чему можно найти полезное применение. И последний по времени эксперимент, выполненный в лаборатории Мохидина, подтвердил это. Экспериментаторы поместили две гофрированные золотые пластины в вакуум на расстоянии несколько сотен нанометров, совместив их выпуклости и вогнутости. Когда пластины немного сместили, появилась сила, возвратившая их в исходную позицию. Так впервые физики заставили "работать" вакуум с его виртуальными частицами. Продольная сила Казимира очень слаба (в эксперименте она составила несколько пиконьютонов) и быстро убывает с расстоянием, но Мохидин уверен, что в масштабах будущих квантовых компьютеров она вполне может приводить в действие наномашины.

Доктор технических наук А. Голубев.

http://www.scorcher.ru/art/theory/any/kazimir.htm

Комментарий: Если Вы думаете, что это единственное объяснение эффекта Казимира, то ошибаетесь. Это всего лишь гипотезf и не более.

Буквально на днях появилась статья, в которой представлена модель эффекта Казимира.

Разработана модель эффекта Казимира

Как сообщает пресс-служба Массачусетского технологического института, иследовательскй группе под руководством Алехандро Родригез (Alejandro Rodriguez) удалось разработать имитационную модель действия эффекта Казимира, позволяющую производить расчёт силы Казимира для произвольного количества объектов произвольной формы.

Загадочный эффект Казимира, проявляющийся в микромире и, согласно текущим научным представлениям, связанный с особым энергетическим состоянием физического вакуума, в котором (согласно текущей физике) непрерывно рождаются и исчезают пары виртуальных частиц, играет важную роль в современной электронике - учёт эффекта необходим для создания работоспособных MEMS-устройств самого различного наначения.

Эффект был открыт (предсказан из теоретических соображений) голландским физиком Хендриком Казимиром (Hendrik Casimir) в 1948 году, впоследствии был подтверждён экспериментально.

Сила Казимира, приводящая к взаимному "притяжению" близко расположенных микрообъектов, растёт обратно пропорционально четвёртой степени дистанции между микрообъектами.

Согласно новой методике, моделирование эффекта Казимира производится на модели микроструктуры, линейные размеры которой увеличены на 5 порядков, погруженной в жидкую электропроводную среду. В бассейне проводятся измерения электромагнитных сил в разных точках.

В работе "Theoretical ingredients of a Casimir analog computer", опубликовапнной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, обосновывается корректность подобного метода моделирования эффекта Казимира.

Cnews.ru

Комментарий: Модель эффекта Казимира, построена с использованием идей представления вакуума в виде жидкой электропроводной среды. Если вспомните уравнения Максвелла также были получены на основе представлений электромагнитных явлений, как форму механических процессов в упругой жидкой среде. Я не говорю об эфире, хотя и Фарадей и Максвелл под эфиром понимали упругую среду.

Рейтинг публикации:

1

Комментарии (5) | Распечатать

Добавить новость в: