Casimir effekt

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 9 april 2022; verifiering kräver 1 redigering .

Casimir-effekten (Casimir-Polder-effekten) är  en effekt som består i den ömsesidiga attraktionen av ledande oladdade kroppar under inverkan av kvantfluktuationer i vakuum . Oftast talar vi om två parallella oladdade spegelytor placerade på nära avstånd, men Casimir-effekten finns även med mer komplexa geometrier.

För optiskt anisotropa kroppar är förekomsten av ett Casimir-vridmoment också möjligt, beroende på den ömsesidiga orienteringen av de optiska huvudaxlarna hos dessa kroppar [1] .

Orsaken till Casimir-effekten är energifluktuationerna i det fysiska vakuumet på grund av den konstanta födelsen och försvinnandet av virtuella partiklar i det . Effekten förutspåddes av den holländska fysikern Hendrik Casimir ( 1909-2000 ) 1948 [2] och senare 1957 [3] [4] bekräftades experimentellt.

Essensen av effekten

Enligt kvantfältteorin är det fysiska vakuumet inte ett absolut tomrum. Par av virtuella partiklar och antipartiklar föds ständigt och försvinner i det  - det finns konstanta svängningar (fluktuationer) av fälten som är associerade med dessa partiklar. I synnerhet finns det svängningar av det elektromagnetiska fältet som är associerade med fotoner . I vakuum föds och försvinner virtuella fotoner, motsvarande alla våglängder i det elektromagnetiska spektrumet .

För att införa makroskopiska kroppar i vakuumet, även utan kostnad, är det nödvändigt att utföra ett visst arbete, vilket krävs för att ändra gränsvillkoren för området för vakuumfluktuationer. Modulen för detta arbete är lika med skillnaden i energierna för nollsvängningar av vakuum i frånvaro och i närvaro av kroppar [5] .

Till exempel, i utrymmet mellan tätt placerade spegelytor, ändras gränsvillkoren för fluktuationsfältet, jämfört med vakuumet utan kroppar, enligt följande. Vid vissa resonanslängder (ett heltal eller ett halvt heltal antal gånger passar mellan ytorna) förstärks elektromagnetiska vågor. Vid alla andra längder, som är större, tvärtom undertrycks dessa vågor (det vill säga produktionen av motsvarande virtuella fotoner undertrycks). Detta händer på grund av det faktum att endast stående vågor kan existera i utrymmet mellan plattorna, vars amplitud på plattorna är lika med noll. Som ett resultat visar sig trycket av virtuella fotoner från insidan på två ytor vara mindre än trycket på dem från utsidan , där produktionen av fotoner inte är begränsad på något sätt. Ju närmare ytorna är varandra, desto färre våglängder mellan dem är i resonans och desto fler dämpas. Ett sådant tillstånd av vakuum kallas ibland i litteraturen för ett Casimir-vakuum . Som ett resultat ökar attraktionskraften mellan ytorna.

Fenomenet kan bildligt beskrivas som "negativt tryck", när vakuumet saknar inte bara vanliga, utan också en del av virtuella partiklar, det vill säga "de pumpade ut allt och lite till." Scharnhorst-effekten är också relaterad till detta fenomen .

Analogi

Fenomenet fartygssugning liknar Casimir-effekten och observerades redan på 1700-talet av franska sjömän. När två fartyg , som vajade från sida till sida under förhållanden med stark sjö , men svaga vindar , befann sig på ett avstånd av cirka 40 meter eller mindre, till följd av våginterferens i utrymmet mellan fartygen, stannade vågorna. Det lugna havet mellan fartygen skapade mindre tryck än vågorna från fartygens yttre sidor. Som ett resultat uppstod en styrka som försökte knuffa fartygen i sidled. Som en motåtgärd rekommenderade sjöfartshandboken från tidigt 1800-tal att båda fartygen skickade en livbåt med 10 till 20 sjömän för att trycka isär fartygen. På grund av denna effekt (bland annat) bildas sopöar i havet idag .

Effekten liknar också Le Sages kinetiska teori om gravitation , som består i att trycka kroppar mot varandra under trycket av några hypotetiska partiklar.

Storleken på Casimirs styrka

Den attraktionskraft som verkar per ytenhet för två parallella ideala spegelytor i absolut vakuum är [6]

var

 är den reducerade Planck-konstanten ,  är ljusets hastighet i vakuum,  är avståndet mellan ytorna.

Detta visar att Casimirs styrka är extremt liten. Avståndet från vilket det börjar bli något märkbart är i storleksordningen flera mikrometer . Men eftersom den är omvänt proportionell mot avståndets 4:e potens, växer den mycket snabbt när avståndet minskar. På avstånd av storleksordningen 10  nm  — hundratals av storleken på en typisk atom  — visar sig trycket som skapas av Casimir-effekten vara jämförbart med atmosfärstrycket.

I fallet med mer komplex geometri (till exempel interaktionen mellan en sfär och ett plan eller interaktionen mellan mer komplexa objekt) ändras det numeriska värdet och tecknet på koefficienten [7] , så Casimir-kraften kan vara både attraktiv kraft och en frånstötande kraft.

Trots det faktum att formeln för Casimir-kraften inte innehåller den fina strukturkonstanten  - huvudegenskapen för den elektromagnetiska interaktionen - har denna effekt ändå ett elektromagnetiskt ursprung. Som framgår av noten [8] , när plattornas ändliga ledningsförmåga beaktas, visas beroendet av , och standarduttrycket för kraften visas i begränsningsfallet , där  är elektrondensiteten i plattan.

Grafen

Casimir-effekten bestämmer interaktionen mellan alla elektriskt neutrala föremål på små avstånd (i storleksordningen en mikrometer eller mindre). När det gäller realistiska material bestäms storleken av interaktionen av materialets bulkegenskaper (permittivitet när det gäller dielektrika, konduktivitet för metaller). Men beräkningar visar att även för monoatomiska lager av grafen kan Casimir-kraften vara relativt stor, och effekten kan observeras experimentellt [9] [10] .

Upptäcktshistorik

Hendrik Casimir arbetade på Philips Research Laboratories i Nederländerna och studerade kolloidala lösningar  - trögflytande ämnen som har mikrometerstora partiklar i sin sammansättning. En av hans kollegor, Theo Overbeek , fann att beteendet hos kolloidala lösningar inte riktigt överensstämde med befintlig teori och bad Casimir att undersöka detta problem. Casimir kom snart till slutsatsen att avvikelser från det beteende som förutspås av teorin kunde förklaras genom att ta hänsyn till inverkan av vakuumfluktuationer på intermolekylära interaktioner. Detta ledde honom till frågan om vilken effekt vakuumfluktuationer kan ha på två parallella spegelytor, och ledde till den berömda förutsägelsen om förekomsten av en attraktionskraft mellan de senare.

Experimentell upptäckt

När Casimir gjorde sin förutsägelse 1948 , gjorde ofullkomligheten i befintlig teknik och den extrema svagheten i själva effekten dess experimentella verifiering extremt svår. Ett av de första experimenten utfördes 1958 av Marcus Spaarnay från Philips center i Eindhoven . Spaarney drog slutsatsen att hans resultat "inte motsäger Casimirs teoretiska förutsägelser". 1997 började en serie mycket mer exakta experiment, där överensstämmelse mellan de observerade resultaten och teorin fastställdes med en noggrannhet på mer än 99%.

2011 bekräftade en grupp forskare från Chalmers tekniska högskola den dynamiska Casimir-effekten . I experimentet, tack vare modifieringen av SQUID , fick forskare ett sken av en spegel, som under påverkan av ett magnetfält svängde med en hastighet av cirka 5% av ljusets hastighet. Detta visade sig vara tillräckligt för att observera den dynamiska Casimir-effekten: SQUID avgav en ström av mikrovågsfotoner, och deras frekvens var lika med hälften av "spegelns" oscillationsfrekvens. Det är denna effekt som förutspåddes av kvantteorin [11] [12] .

2012 byggde ett team av forskare vid University of Florida det första chipet för att mäta Casimir-kraften mellan en elektrod och en 1,42 nm tjock kiselskiva vid rumstemperatur. Enheten arbetar i automatiskt läge och är utrustad med en drivenhet som justerar avståndet mellan plattorna från 1,92 nm till 260 nm, samtidigt som parallelliteten bibehålls. Mätresultaten överensstämmer ganska exakt med de teoretiskt beräknade värdena. Detta experiment visar att på givna avstånd kan Casimir-kraften vara huvudkraften för interaktion mellan plattorna [13] [14] .

2015 var det möjligt att experimentellt detektera och mäta Casimir-vridmomentet [15] .

Modern forskning om Casimir-effekten

Applikation

År 2018 utvecklade en rysk-tysk grupp fysiker ( V.M. Mostepanenko , G.L. Klimchitskaya, V.M. Petrov och en grupp från Darmstadt under ledning av Theo Tschudi ) ett teoretiskt och experimentellt schema för en optisk kvanthacker i miniatyr baserat på laserstrålar . Casimir-effekten, där Casimir-kraften balanseras av lätt tryck [16] [17] .

I kulturen

Casimir-effekten beskrivs i detalj i science fiction-boken Light of Other Days av Arthur C. Clarke , där den används för att skapa två parade maskhål i rum-tid och överföra information genom dem.

Anteckningar

  1. ↑ Barash Yu. S., Ginzburg V. L. Elektromagnetiska fluktuationer i materia och molekylära (van der Waals) krafter mellan kroppar // UFN , vol. 116, sid. 5-40 (1975)
  2. ↑ Casimir HBG Om attraktionen mellan två perfekt ledande plattor  //  Proceedings of the Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen: journal. - 1948. - Vol. 51 . - s. 793-795 .
  3. ↑ Sparnaay, MJ Attraktiva krafter mellan plana plattor   // Nature . - 1957. - Vol. 180 , nr. 4581 . - s. 334-335 . - doi : 10.1038/180334b0 . — .
  4. ↑ Sparnaay, M. Mätningar av attraktionskrafter mellan plana plattor  //  Physica: journal. - 1958. - Vol. 24 , nr. 6-10 . - s. 751-764 . - doi : 10.1016/S0031-8914(58)80090-7 . - .
  5. ↑ Itsikson K., Zuber J.-B. Kvantfältteori. T. 1 - M .: Mir , 1984. - Upplaga 6000 exemplar. - Med. 171
  6. ↑ Sadovsky M. V. Föreläsningar om kvantfältteori. - Moskva-Izhevsk, Institutet för datorforskning, 2003. - ISBN 5-93972-241-5  - Upplaga 800 exemplar. - Med. 67.
  7. ↑ Physical Encyclopedia, vol. 5. Stroboskopiska enheter - Ljusstyrka / Ch. ed. A. M. Prokhorov. Ed. Kol.: A. M. Baldin, A. M. Bonch-Bruevich, etc. - M .: Great Russian Encyclopedia, 1994, 1998. - 760 sid. — ISBN 5-85270-101-7 , sid. 644 .
  8. ↑ R. Jaffe . Casimir -effekten och kvantvakuumet  .
  9. ↑ Bordag M., Fialkovsky IV, Gitman DM, Vassilevich DV Casimir interaktion mellan en perfekt ledare och grafen som beskrivs av Dirac-modellen  // Physical Review B  : journal  . - 2009. - Vol. 80 . — S. 245406 . - doi : 10.1103/PhysRevB.80.245406 .
  10. ↑ Fialkovsky I. V., Marachevskiy V. N., Vassilevich D. V. Kasimireffekt med ändlig temperatur för grafen  . — 2011.
  11. ↑ Fysiker registrerade först den dynamiska Casimir-effekten (otillgänglig länk) . Hämtad 15 juli 2011. Arkiverad från originalet 20 januari 2012. 
  12. ↑ En artikel om den dynamiska Casimir-effekten i naturen
  13. ↑ Det första chipet som mäter Casimirs styrka
  14. ↑ Ingenjörer avslöjar första Casimir-chipet som utnyttjar vakuumenergin | MIT Technology Review
  15. ↑ David A. T. Somers, Joseph L. Garrett, Kevin J. Palm & Jeremy N. Munday 19 dec . 2018 Mätning av Casimir vridmoment // Nature , volym 564, sid 386—389 (2018)
  16. ↑ G. L. Klimchitskaya, V. V. Mostepanenko, V. V. Petrov, T. Tschudi. Optical Chopper Driven by the Casimir Force  (neopr.)  // Phys. Varv. Applicerad. - 2018. - T. 10 , nr 1 . - S. 014010 . - doi : 10.1103/PhysRevApplied.10.014010 .
  17. ↑ KFU-fysiker har tillsammans med en grupp forskare utvecklat en ny enhet för optiska kommunikationssystem , KFUs mediaportal  (26 februari 2019).

Litteratur

Länkar

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk
I bibliografiska kataloger
 kvantelektrodynamik