Kázmér-effektus

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2022. április 9-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzéshez 1 szerkesztés szükséges .

A Casimir-effektus (Casimir-Polder-effektus) egy olyan hatás, amely a töltés nélküli testek  kölcsönös vonzásában áll a vákuumban lévő kvantumfluktuációk hatására . Leggyakrabban két, egymáshoz közel elhelyezett, párhuzamos töltetlen tükörfelületről beszélünk , de létezik a Kázmér-effektus bonyolultabb geometriákkal is.

Optikailag anizotróp testeknél a Kázmér-nyomaték fellépése is lehetséges, e testek fő optikai tengelyeinek kölcsönös orientációjától függően [1] .

A Kázmér-effektus oka a fizikai vákuum energiaingadozása a benne lévő virtuális részecskék állandó születése és eltűnése miatt . A hatást Hendrik Casimir ( 1909-2000 ) holland fizikus 1948 -ban jósolta meg [2] , majd 1957 -ben [3] [4] kísérletileg is megerősítette.

A hatás lényege

A kvantumtérelmélet szerint a fizikai vákuum nem abszolút űr. Folyamatosan virtuális részecskék és antirészecskék párok születnek és tűnnek el benne  - az ezekkel a részecskékkel kapcsolatos mezők állandó oszcillációi (fluktuációi) vannak. Különösen a fotonokhoz kapcsolódó elektromágneses tér oszcillációi vannak . Vákuumban virtuális fotonok születnek és tűnnek el, amelyek megfelelnek az elektromágneses spektrum összes hullámhosszának .

A makroszkopikus testek vákuumba való bejuttatásához még töltés nélkül is el kell végezni egy bizonyos munkát, amely szükséges a vákuum-ingadozások területének peremfeltételeinek megváltoztatásához. Ennek a munkának a modulusa megegyezik a vákuum nulla rezgésének energiáinak különbségével testek hiányában és jelenlétében [5] .

Például a szorosan elhelyezkedő tükörfelületek közötti térben a fluktuációs mező peremfeltételei a test nélküli vákuumhoz képest a következőképpen változnak. Bizonyos rezonanciahosszokon (egész vagy fél egész szám elfér a felületek között) az elektromágneses hullámok felerősödnek. Minden más hosszúságnál, amelyek nagyobbak, éppen ellenkezőleg, ezek a hullámok elnyomnak (vagyis elnyomják a megfelelő virtuális fotonok képződését). Ez annak köszönhető, hogy a lemezek közötti térben csak állóhullámok létezhetnek, amelyek amplitúdója a lemezeken nullával egyenlő. Ennek eredményeként a virtuális fotonok belülről két felületre gyakorolt ​​nyomása kisebbnek bizonyul, mint a kívülről nehezedő nyomás , ahol a fotonok termelése semmilyen módon nem korlátozott. Minél közelebb vannak egymáshoz a felületek, annál kevesebb hullámhossz van közöttük rezonanciában, és annál több van elnyomva. Az ilyen vákuumállapotot a szakirodalom néha Kázmér-vákuumnak nevezi . Ennek eredményeként megnő a felületek közötti vonzási erő.

A jelenséget képletesen "negatív nyomásnak" nevezhetjük, amikor a vákuumból nem csak a hétköznapi, hanem a virtuális részecskék egy része is hiányzik, vagyis "kiszivattyúztak mindent és még egy kicsit". A Scharnhorst-effektus is ehhez a jelenséghez kapcsolódik .

Analógia

A hajószívás jelensége hasonló a Kázmér-effektushoz, és már a 18. században megfigyelték francia tengerészek. Amikor két , egyik oldalról a másikra imbolygó, erős tengeri körülmények között , de enyhe szélben hajó körülbelül 40 méter vagy annál kisebb távolságra volt, a hullámok interferenciája következtében a hajók közötti térben, a hullámok megálltak. A hajók közötti nyugodt tenger kisebb nyomást keltett, mint a hajók külső oldaláról érkező hullámok. Ennek eredményeként olyan erő keletkezett, amely a hajókat oldalra akarta lökni. Ellenintézkedésként az 1800-as évek elején készült hajózási kézikönyv azt javasolta, hogy mindkét hajó küldjön egy mentőcsónakot 10-20 matrózsal, hogy széttolja a hajókat. Ennek köszönhetően (többek között) ma szemétszigetek képződnek az óceánban .

Ezenkívül a hatás hasonlít Le Sage kinetikai gravitációs elméletére , amely abból áll, hogy bizonyos hipotetikus részecskék nyomása alatt testeket löknek egymáshoz.

Kázmér erejének nagysága

Az egységnyi felületre ható vonzóerő két párhuzamos ideális tükörfelületre abszolút vákuumban [6]

ahol

 a redukált Planck-állandó ,  a fény sebessége vákuumban,  a felületek közötti távolság.

Ez azt mutatja, hogy Kázmér ereje rendkívül csekély. Az a távolság, amelytől kezdődően észrevehető, néhány mikrométer nagyságrendű . Mivel azonban fordítottan arányos a távolság 4. hatványával, a távolság csökkenésével nagyon gyorsan növekszik. 10  nm -es nagyságrendű távolságoknál – több száz tipikus atom  méreténél  – a Kázmér-effektus által létrehozott nyomás a légköri nyomáshoz hasonlítható.

Bonyolultabb geometria esetén (például gömb és sík kölcsönhatása vagy összetettebb objektumok kölcsönhatása) az együttható számértéke és előjele megváltozik [7] , így a Kázmér-erő egyszerre lehet vonzó. erő és egy taszító erő.

Annak ellenére, hogy a Kázmér-erő képlete nem tartalmazza az elektromágneses kölcsönhatás fő jellemzőjét, a finomszerkezeti állandót  , ennek a hatásnak mégis elektromágneses eredete van. Ahogy a [8] jegyzetben látható , ha a lemezek véges vezetőképességét vesszük figyelembe, megjelenik a függőség , és megjelenik az erő standard kifejezése a határesetben , ahol  az elektronsűrűség a lemezben.

Graphene

A Casimir-effektus meghatározza bármely elektromosan semleges objektum kölcsönhatását kis távolságban (egy mikrométer vagy annál kisebb nagyságrendben). Reális anyagok esetén a kölcsönhatás nagyságát az anyag ömlesztett tulajdonságai (dielektrikumoknál permittivitás, fémeknél vezetőképesség) határozzák meg. A számítások azonban azt mutatják, hogy még a grafén egyatomos rétegei esetében is viszonylag nagy lehet a Kázmér-erő, és a hatás kísérletileg is megfigyelhető [9] [10] .

Felfedezési előzmények

Hendrik Casimir a hollandiai Philips Research Laboratories -ban dolgozott , és kolloid oldatokat  – viszkózus anyagokat – tanulmányozott, amelyek összetételében mikrométer méretű részecskék találhatók. Egyik kollégája, Theo Overbeek megállapította , hogy a kolloid oldatok viselkedése nem teljesen egyezik a meglévő elmélettel, és felkérte Casimirt, hogy vizsgálja meg ezt a problémát. Kázmér hamarosan arra a következtetésre jutott, hogy az elmélet által megjósolt viselkedéstől való eltérések a vákuum-ingadozások intermolekuláris kölcsönhatásokra gyakorolt ​​hatásának figyelembevételével magyarázhatók. Ez elvezette ahhoz a kérdéshez, hogy a vákuum-ingadozások milyen hatással lehetnek két párhuzamos tükörfelületre, és elvezetett ahhoz a híres jóslathoz, miszerint az utóbbiak között vonzó erő létezik.

Kísérleti felfedezés

Amikor Kázmér 1948 -ban megjósolta , a meglévő technológiák tökéletlensége és maga a hatás rendkívül gyengesége rendkívül megnehezítette a kísérleti ellenőrzést. Az egyik első kísérletet 1958 -ban Marcus Spaarnay , a Philips eindhoveni központjából végezte . Spaarney arra a következtetésre jutott, hogy eredményei "nem mondanak ellent Kázmér elméleti előrejelzéseinek". 1997- ben sokkal pontosabb kísérletek sorozata vette kezdetét, amelyek során a megfigyelt eredmények és az elmélet közötti egyezést több mint 99%-os pontossággal állapították meg.

2011 -ben a Chalmers University of Technology tudósainak egy csoportja megerősítette a dinamikus Kázmér-effektust . A kísérlet során a SQUID módosításának köszönhetően a tudósok tükörszerűséget kaptak, amely mágneses tér hatására a fénysebesség körülbelül 5%-ának megfelelő sebességgel oszcillált. Ez elegendőnek bizonyult a dinamikus Casimir-effektus megfigyeléséhez: a SQUID mikrohullámú fotonok áramlását bocsátotta ki, és ezek frekvenciája megegyezett a "tükör" rezgési frekvenciájának felével. Ezt a hatást jósolta meg a kvantumelmélet [11] [12] .

2012 -ben a Floridai Egyetem kutatócsoportja megépítette az első chipet, amely szobahőmérsékleten méri az elektróda és egy 1,42 nm vastag szilíciumlapka közötti Casimir-erőt. A készülék automatikus üzemmódban működik, és olyan meghajtóval van felszerelve, amely 1,92 nm-ről 260 nm-re állítja be a lemezek közötti távolságot a párhuzamosság megőrzése mellett. A mérési eredmények meglehetősen pontosan egyeznek az elméletileg számított értékekkel. Ez a kísérlet azt mutatja, hogy adott távolságokon a Casimir-erő lehet a lemezek közötti kölcsönhatás fő ereje [13] [14] .

2015 - ben lehetőség nyílt a Casimir nyomaték kísérleti kimutatására és mérésére [15] .

A Kázmér-effektus modern kutatása

Alkalmazás

2018-ra egy orosz-német fizikuscsoport ( V. M. Mostepanenko , G. L. Klimchitskaya, V. M. Petrov és egy darmstadti csoport Theo Tschudi vezetésével ) elméleti és kísérleti sémát dolgozott ki lézersugarakon alapuló miniatűr kvantumoptikai szaggatóhoz . a Kázmér-effektus, amelyben a Kázmér-erőt könnyű nyomás egyensúlyozza ki [16] [17] .

A kultúrában

A Casimir-effektust részletesen leírja Arthur C. Clarke Light of Other Days című tudományos-fantasztikus könyve , ahol két páros féreglyukat hoznak létre a téridőben, és azokon keresztül továbbítják az információkat.

Jegyzetek

  1. ↑ Barash Yu. S., Ginzburg V. L. Elektromágneses fluktuációk az anyagban és a molekuláris (van der Waals) erők a testek között // UFN , 116. kötet, p. 5-40 (1975)
  2. ↑ Casimir HBG A két tökéletesen vezető lemez közötti vonzásról  //  Proceedings of the Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen: Journal. - 1948. - 1. évf. 51 . - P. 793-795 .
  3. ↑ Sparnaay, MJ Attractive Forces between Flat Plates   // Nature . - 1957. - 1. évf. 180 , sz. 4581 . - P. 334-335 . - doi : 10.1038/180334b0 . — .
  4. ↑ Sparnaay, M. Measurements of vonzó erők lapos lemezek között  //  Physica: Journal. - 1958. - 1. évf. 24 , sz. 6-10 . - P. 751-764 . - doi : 10.1016/S0031-8914(58)80090-7 . - .
  5. ↑ Itsikson K., Zuber J.-B. Kvantumtér elmélet. T. 1 - M .: Mir , 1984. - Példányszám 6000 példány. - Val vel. 171
  6. ↑ Sadovsky M. V. Előadások a kvantumtérelméletről. - Moszkva-Izhevsk, Számítógépes Kutatóintézet, 2003. - ISBN 5-93972-241-5  - Kiadás 800 példányban. - Val vel. 67.
  7. ↑ Physical Encyclopedia, 5. köt. Stroboszkópos eszközök - Fényerő / Ch. szerk. A. M. Prohorov. Szerk. Kol.: A. M. Baldin, A. M. Bonch-Bruevich stb. - M .: Great Russian Encyclopedia, 1994, 1998. - 760 p. — ISBN 5-85270-101-7 , p. 644 .
  8. ↑ R. Jaffe . A Kázmér-effektus és a kvantumvákuum  .
  9. ↑ Bordag M., Fialkovsky IV, Gitman DM, Vassilevich DV Casimir interakció a Dirac-modell által leírt tökéletes vezető és grafén között  // Physical Review B  : Journal  . - 2009. - 1. évf. 80 . — P. 245406 . - doi : 10.1103/PhysRevB.80.245406 .
  10. ↑ Fialkovsky I. V., Marachevskiy V. N., Vassilevich D. V. Finite temperature Casimir effect for graphene  . – 2011.
  11. ↑ A fizikusok először regisztrálták a dinamikus Kázmér-effektust (hozzáférhetetlen link) . Letöltve: 2011. július 15. Az eredetiből archiválva : 2012. január 20.. 
  12. ↑ Cikk a dinamikus Kázmér-effektusról a Nature-ben
  13. ↑ Az első chip, amely méri Kázmér erejét
  14. ↑ A mérnökök bemutatták az első Casimir chipet, amely kihasználja a vákuumenergiát | MIT Technology Review
  15. ↑ David A. T. Somers, Joseph L. Garrett, Kevin J. Palm és Jeremy N. Munday december 19. Kázmér forgatónyomaték mérése 2018 // Természet , 564. kötet, 386-389. oldal (2018)
  16. ↑ G. L. Klimchitskaya, V. V. Mostepanenko, V. V. Petrov, T. Tschudi. Kázmér-erő által hajtott optikai  aprító (neopr.)  // Phys. Fordulat. Alkalmazott. - 2018. - T. 10 , 1. sz . - S. 014010 . - doi : 10.1103/PhysRevApplied.10.014010 .
  17. ↑ A KFU fizikusa tudósok egy csoportjával együtt új eszközt fejlesztett ki optikai kommunikációs rendszerek számára , a KFU médiaportált  (2019. február 26.).

Irodalom

Linkek

  Ugrás a Wikidata elemre  Szótárak és enciklopédiák
Bibliográfiai katalógusokban
 kvantumelektrodinamika