Casimir effekt

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 9. april 2022; verifikation kræver 1 redigering .

Casimir-effekten (Casimir-Polder-effekten)  er en effekt, der består i den gensidige tiltrækning af ledende uladede legemer under påvirkning af kvantefluktuationer i vakuum . Oftest taler vi om to parallelle uladede spejlflader placeret i tæt afstand, men Casimir-effekten eksisterer også med mere komplekse geometrier.

For optisk anisotrope legemer er forekomsten af ​​et Casimir-drejningsmoment også mulig, afhængigt af den indbyrdes orientering af de optiske hovedakser af disse legemer [1] .

Årsagen til Casimir-effekten er energiudsvingene i det fysiske vakuum på grund af den konstante fødsel og forsvinden af ​​virtuelle partikler i det . Effekten blev forudsagt af den hollandske fysiker Hendrik Casimir ( 1909-2000 ) i 1948 [2] og senere i 1957 [3] [4] blev bekræftet eksperimentelt.

Essensen af ​​effekten

Ifølge kvantefeltteorien er det fysiske vakuum ikke et absolut tomrum. Par af virtuelle partikler og antipartikler fødes konstant og forsvinder i det  - der er konstante svingninger (udsving) af felterne forbundet med disse partikler. Især er der oscillationer af det elektromagnetiske felt forbundet med fotoner . I vakuum bliver virtuelle fotoner født og forsvinder, svarende til alle bølgelængder af det elektromagnetiske spektrum .

For at indføre makroskopiske legemer i vakuumet, selv uden en afgift, er det nødvendigt at udføre et bestemt arbejde, som er påkrævet for at ændre grænsebetingelserne for feltet med vakuumsvingninger. Modulet for dette arbejde er lig med forskellen i energierne af nulsvingninger af vakuum i fravær og i nærvær af legemer [5] .

For eksempel ændres grænsebetingelserne for fluktuationsfeltet i mellemrummet mellem tætsiddende spejlflader i forhold til vakuumet uden legemer som følger. Ved visse resonanslængder (et heltal eller et halvt helt antal gange passer mellem overfladerne) forstærkes elektromagnetiske bølger. Ved alle andre længder, som er større, er disse bølger tværtimod undertrykt (det vil sige, at produktionen af ​​de tilsvarende virtuelle fotoner undertrykkes). Dette sker på grund af det faktum, at der kun kan eksistere stående bølger i rummet mellem pladerne, hvis amplitude på pladerne er lig med nul. Som følge heraf viser trykket af virtuelle fotoner indefra på to overflader sig at være mindre end trykket på dem udefra , hvor produktionen af ​​fotoner ikke er begrænset på nogen måde. Jo tættere overfladerne er på hinanden, jo færre bølgelængder mellem dem er i resonans, og jo flere undertrykkes. En sådan vakuumtilstand omtales nogle gange i litteraturen som et Casimir-vakuum . Som et resultat øges tiltrækningskraften mellem overfladerne.

Fænomenet kan billedligt beskrives som "negativt tryk", når vakuumet er blottet for ikke kun almindelige, men også en del af virtuelle partikler, det vil sige, "de pumpede alt og lidt til." Scharnhorst-effekten er også relateret til dette fænomen .

Analogi

Fænomenet skibssugning ligner Casimir-effekten og blev observeret allerede i det 18. århundrede af franske sømænd. Da to skibe , der svajede fra side til side under forhold med stærk sø , men svag vind , var i en afstand på omkring 40 meter eller mindre, som følge af bølgeinterferens i rummet mellem skibene, stoppede bølgerne. Det rolige hav mellem skibene skabte mindre pres end bølgerne fra skibenes ydersider. Som et resultat opstod der en styrke, der søgte at skubbe skibene til siden. Som en modforanstaltning anbefalede shippingmanualen fra begyndelsen af ​​1800-tallet, at begge skibe sendte en redningsbåd med 10 til 20 søfolk for at skubbe skibene fra hinanden. På grund af denne effekt (blandt andet) dannes der i dag affaldsøer i havet .

Effekten minder også om Le Sages kinetiske teori om tyngdekraften , som består i at skubbe kroppe mod hinanden under trykket af nogle hypotetiske partikler.

Størrelsen af ​​Casimirs styrke

Den tiltrækningskraft, der virker pr. arealenhed for to parallelle ideelle spejlflader i absolut vakuum, er [6]

hvor

 er den reducerede Planck konstant ,  er lysets hastighed i vakuum,  er afstanden mellem overflader.

Dette viser, at Casimirs styrke er ekstremt lille. Den afstand, hvor den begynder at være mærkbar, er i størrelsesordenen flere mikrometer . Men da den er omvendt proportional med afstandens 4. potens, vokser den meget hurtigt, når afstanden aftager. Ved afstande af størrelsesordenen 10  nm -  hundreder af størrelsen af ​​et typisk atom  - viser det sig, at trykket skabt af Casimir-effekten kan sammenlignes med atmosfærisk tryk.

I tilfælde af mere kompleks geometri (f.eks. samspillet mellem en kugle og et plan eller samspillet mellem mere komplekse objekter), ændres den numeriske værdi og fortegn for koefficienten [7] , så Casimir-kraften kan både være en attraktiv kraft og en frastødende kraft.

På trods af det faktum, at formlen for Casimir-kraften ikke indeholder den fine strukturkonstant  - hovedkarakteristikken for den elektromagnetiske interaktion - har denne effekt ikke desto mindre en elektromagnetisk oprindelse. Som vist i noten [8] , når pladernes endelige ledningsevne tages i betragtning, fremkommer afhængigheden af ​​, og standardudtrykket for kraften vises i grænsetilfældet , hvor  er elektrondensiteten i pladen.

Grafen

Casimir-effekten bestemmer samspillet mellem elektrisk neutrale objekter på små afstande (i størrelsesordenen en mikrometer eller mindre). I tilfælde af realistiske materialer bestemmes størrelsen af ​​interaktionen af ​​materialets bulkegenskaber (permittivitet i tilfælde af dielektrikum, ledningsevne for metaller). Beregninger viser dog, at selv for monoatomiske lag af grafen kan Casimir-kraften være relativt stor, og effekten kan observeres eksperimentelt [9] [10] .

Opdagelseshistorie

Hendrik Casimir arbejdede på Philips Research Laboratories i Holland, hvor han studerede kolloide opløsninger  - tyktflydende stoffer, der har mikrometerstore partikler i deres sammensætning. En af hans kolleger, Theo Overbeek , fandt ud af, at kolloide løsningers adfærd ikke stemte helt overens med eksisterende teori og bad Casimir om at undersøge dette problem. Casimir kom hurtigt til den konklusion, at afvigelser fra den adfærd, der er forudsagt af teorien, kunne forklares ved at tage hensyn til indflydelsen af ​​vakuumfluktuationer på intermolekylære interaktioner. Dette førte ham til spørgsmålet om, hvilken effekt vakuumfluktuationer kan have på to parallelle spejlflader, og førte til den berømte forudsigelse om eksistensen af ​​en tiltrækningskraft mellem sidstnævnte.

Eksperimentel opdagelse

Da Casimir lavede sin forudsigelse i 1948 , gjorde ufuldkommenheden af ​​eksisterende teknologier og den ekstreme svaghed af selve effekten dens eksperimentelle verifikation ekstremt vanskelig. Et af de første eksperimenter blev udført i 1958 af Marcus Spaarnay fra Philips - centret i Eindhoven . Spaarney konkluderede, at hans resultater "ikke modsiger Casimirs teoretiske forudsigelser". I 1997 begyndte en række meget mere præcise eksperimenter, hvor overensstemmelse mellem de observerede resultater og teori blev etableret med en nøjagtighed på mere end 99%.

I 2011 bekræftede en gruppe forskere fra Chalmers Tekniske Universitet den dynamiske Casimir-effekt . I eksperimentet, takket være modifikationen af ​​SQUID , opnåede forskerne et udseende af et spejl, som under påvirkning af et magnetfelt oscillerede med en hastighed på omkring 5% af lysets hastighed. Dette viste sig at være nok til at observere den dynamiske Casimir-effekt: SQUID udsendte en strøm af mikrobølgefotoner, og deres frekvens var lig med halvdelen af ​​oscillationsfrekvensen af ​​"spejlet". Det er denne effekt, der blev forudsagt af kvanteteorien [11] [12] .

I 2012 byggede et team af forskere ved University of Florida den første chip til at måle Casimir-kraften mellem en elektrode og en 1,42 nm tyk siliciumwafer ved stuetemperatur. Enheden fungerer i automatisk tilstand og er udstyret med et drev, der justerer afstanden mellem pladerne fra 1,92 nm til 260 nm, samtidig med at paralleliteten bevares. Måleresultaterne stemmer ganske nøjagtigt overens med de teoretisk beregnede værdier. Dette eksperiment viser, at ved givne afstande kan Casimir-kraften være hovedkraften i vekselvirkningen mellem pladerne [13] [14] .

I 2015 var det muligt eksperimentelt at detektere og måle Casimir-momentet [15] .

Moderne forskning om Casimir-effekten

Ansøgning

I 2018 udviklede en russisk-tysk gruppe fysikere ( V. M. Mostepanenko , G. L. Klimchitskaya, V. M. Petrov og en gruppe fra Darmstadt ledet af Theo Tschudi ) et teoretisk og eksperimentelt skema for en miniature kvanteoptisk chopper baseret på laserstråler Casimir-effekten, hvor Casimir-kraften balanceres af let tryk [16] [17] .

I kultur

Casimir-effekten er beskrevet i nogen detaljer i science fiction-bogen Light of Other Days af Arthur C. Clarke , hvor den bruges til at skabe to parrede ormehuller i rum-tid og transmittere information gennem dem.

Noter

  1. ↑ Barash Yu. S., Ginzburg V. L. Elektromagnetiske fluktuationer i stof og molekylære (van der Waals) kræfter mellem legemer // UFN , bind 116, s. 5-40 (1975)
  2. ↑ Casimir HBG Om tiltrækningen mellem to perfekt ledende plader  //  Proceedings of the Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen: journal. - 1948. - Bd. 51 . - S. 793-795 .
  3. ↑ Sparnaay, MJ Attraktive kræfter mellem flade plader   // Nature . - 1957. - Bd. 180 , nr. 4581 . - S. 334-335 . - doi : 10.1038/180334b0 . — .
  4. ↑ Sparnaay, M. Målinger af tiltrækningskræfter mellem flade plader  //  Physica: journal. - 1958. - Bd. 24 , nr. 6-10 . - s. 751-764 . - doi : 10.1016/S0031-8914(58)80090-7 . - .
  5. ↑ Itsikson K., Zuber J.-B. Kvantefeltteori. T. 1 - M .: Mir , 1984. - Oplag 6000 eksemplarer. - Med. 171
  6. ↑ Sadovsky M. V. Forelæsninger om kvantefeltteori. - Moskva-Izhevsk, Institut for Computerforskning, 2003. - ISBN 5-93972-241-5  - Udgave 800 eksemplarer. - Med. 67.
  7. ↑ Physical Encyclopedia, bind 5. Stroboskopiske enheder - Lysstyrke / Kap. udg. A. M. Prokhorov. Ed. Kol.: A. M. Baldin, A. M. Bonch-Bruevich, etc. - M .: Great Russian Encyclopedia, 1994, 1998. - 760 s. — ISBN 5-85270-101-7 , s. 644 .
  8. ↑ R. Jaffe . Casimir - effekten og kvantevakuumet  .
  9. ↑ Bordag M., Fialkovsky IV, Gitman DM, Vassilevich DV Casimir interaktion mellem en perfekt leder og grafen beskrevet af Dirac-modellen  // Physical Review B  : journal  . - 2009. - Bd. 80 . — S. 245406 . - doi : 10.1103/PhysRevB.80.245406 .
  10. ↑ Fialkovsky I. V., Marachevskiy V. N., Vassilevich D. V. Finite temperature Casimir-effekt for grafen  . – 2011.
  11. ↑ Fysikere registrerede først den dynamiske Casimir-effekt (utilgængeligt link) . Hentet 15. juli 2011. Arkiveret fra originalen 20. januar 2012. 
  12. ↑ En artikel om den dynamiske Casimir-effekt i naturen
  13. ↑ Den første chip til at måle Casimirs styrke
  14. ↑ Ingeniører afslører første Casimir-chip, der udnytter vakuumenergien | MIT Technology Review
  15. ↑ David A. T. Somers, Joseph L. Garrett, Kevin J. Palm & Jeremy N. Munday 19. dec. 2018 Måling af Casimir-momentet // Nature , bind 564, side 386—389 (2018)
  16. ↑ G. L. Klimchitskaya, V. V. Mostepanenko, V. V. Petrov, T. Tschudi. Optisk chopper drevet af Casimir Force  (neopr.)  // Phys. Rev. Anvendt. - 2018. - T. 10 , nr. 1 . - S. 014010 . - doi : 10.1103/PhysRevApplied.10.014010 .
  17. ↑ KFU-fysiker udviklede sammen med en gruppe forskere en ny enhed til optiske kommunikationssystemer , KFU medieportal  (26. februar 2019).

Litteratur

Links

  Gå til Wikidata-elementet  Ordbøger og encyklopædier
I bibliografiske kataloger
 kvanteelektrodynamik