Главная Общество Наука

Силу, возникающую из пустоты, приспособят к чему-нибудь путному

Эффект Казимира назван по имени голландского ученого Генриха (или Хендрика) Казимира (Hendrick Casimir). Именно Казимир еще в 1948 году предложил эксперимент, который мог бы подтвердить квантовую теорию физического вакуума Макса Планка и Вернера Гейзенберга (то, что вакуум на самом деле не пуст, а заполнен то и дело виртуально возникающими и исчезающими парами частиц и античастиц). Казимир рассуждал примерно так: если две параллельные пластины в вакууме свести на достаточно малое расстояние (порядка нескольких микрон), то в пространстве между этими пластинами будут подавляться частицы всех длин волн, отличных от резонансных (то есть с модами, кратными расстоянию между пластинами - это похоже на колебания струны конечных размеров). То есть подавляются флуктуации вакуума в этом промежутке, а спонтанно появляющиеся фотоны, которые возникают вне пластин, порождают силу, стремящуюся свести пластины вместе (своего рода "давление поля внешнего излучения") - выходит, эта сила возникает как бы прямо "из пустоты", само пустое пространство воздействует на погруженные в него тела.

С эффектом Казимира связано множество всяких спекуляций, но только в 1997 году Стив Ламоро (Steve Lamoreaux) из Университета Вашингтона в Сиэтле (а теперь Национальной лаборатории в Лос-Аламосе) сумел собрать экспериментальную установку, достаточно чувствительную для того, чтобы доподлинно измерить силу Казимира. Он сумел достичь точности результатов в пределах 5 процентов от теоретического предсказания Казимира (измерялось взаимодействие между сферической линзой диаметром 4 см и кварцевой пластиной 2,5 см в поперечнике), то есть подтвердил предсказание эффекта на 95 %.

Теперь Эфрам Фишбах (Ephraim Fischbach), профессор из американского Университета Пердью (Purdue University's School of Science) и его коллеги сумели проверить этот эффект с точностью до 0,5 % для слоев разнородных металлов - меди и золота (в диапазоне 0,2-2 мкм). Выяснилось, что эффект Казимира действительно должен серьезно влиять на наноразмерные устройства.

"Эффект Казимира сравнительно слаб в случае обычных объектов, но когда вы начинаете строить микроскопические MEMS-устройства, он очень серьезно будет влиять на их работу", - говорит Фишбах. Всякий раз, когда два наноразмерных объекта сближаются, "фотонное давление" на внешних сторонах этой пары превышает давление в пространстве между ними. Таким образом, "когда зубчики крошечных MEMS-механизмов сцепятся, сила Казимира может привести к тому, что спроектированные без учета этого эффекта наномашины просто "склеются", не смогут работать. Точное измерение этих сил поможет MEMS-проектировщикам избегать таких ловушек".

Фишбах не считает силу Казимира каким-то неодолимым препятствием для грядущих технологий, которое заставит устройства при наномасштабах вести себя совершенно непредсказуемо. По его мнению, необходимо лишь аккуратно учитывать соответствующие коэффициенты и с еще большей точностью измерять собственно эффект Казимира - воздействие своего рода "квантовой пены" фотонов - частиц и античастиц, "просачивающихся" к нам из пустоты.

Кроме того, учет эффекта Казимира важен и для микробиологов, есть даже такое понятие, "мембрана Казимира" (casimir membrane). А с недавних пор возникло подозрение, что этот "микроскопический" эффект может играть важную роль в космологии, например, в том, что касается механизмов инфляции.

Еще одно интереснейшее приложение эффекта Казимира относится к многомерным моделям в теории Калуцы-Кляйна. Согласно таким моделям, истинная размерность нашего пространства-времени больше реально наблюдаемых четырех измерений - то есть их на самом деле 10, 11, а то и все 26. Реально при этом "работают" только четыре (соответственно, время и три пространственных измерения), а "лишние" просто свертываются или, как говорят, компактифицируются на очень малых расстояниях - порядка 10^-33 см, в связи с чем мы их при обычных условиях не замечаем. Вот за эту-то компактификацию и "назначен ответственным" эффект Казимира.

Источники:
Purdue physicists hone rules for nanotech game - Purdue News
MEMS research looks to make Casimir a force for good - EE Times
MEMS Researchers Hope To Exploit Casimir Effect - Slashdot

Ссылки:
Минус-материя - "Знание - сила"
Эффект Казимира - Астрид Ламбрехт
Эффект Казимира - Владимир Мостепаненко

Справка

Эффект Казимира

Согласно положениям квантовой механики, в вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы. Эти так называемые нулевые колебания полей приводят, в частности, к силовому взаимодействию макроскопических тел. Один из наиболее известных примеров подобного взаимодействия - эффект Казимира: притяжение двух плоских параллельных металлических пластин, разнесенных на малое расстояние d. В пространстве между пластинами могут существовать моды нулевых колебаний электромагнитного поля с длиной волны, не превышающей 2d. Таким образом, плотность энергии нулевых колебаний между пластинами меньше, чем снаружи, что и вызывает притяжение.

"Научная сеть"

Справка

"Лишние" измерения

Суперструны предпочитают "жить" сразу в 10 пространственно-временных измерениях. Идея Калуцы-Кляйна состоит в том, что 6 "лишних" измерений представляются свернутыми, причем радиус компактификации настолько мал, что мы не ощущаем его (к каждой точке нашего мира прикреплен крохотный "пузырек" 6-мерного компактифицированного пространства). В последнее время появилась и другая интерпретация, согласно которой "лишние" измерения могут быть и некомпактны, а недоступны они нам потому, что мы как бы находимся в потенциальной яме и не можем выйти в эти новые измерения. В этом подходе обычные три пространственных и одно временное измерения образуют гиперповерхность в многомерном пространстве - так называемую брану, все взаимодействия и материальные объекты локализованы на бране, и только гравитация (и иногда другие силы) могут существовать во всем объеме. Проявлением "лишних" измерений в этом случае служит модификация закона тяготения Ньютона.

Источник:
Суперсимметрия и объединение фундаментальных взаимодействий

Статья

Силу, возникающую из пустоты, приспособят к чему-нибудь путному

Генрих Казимир еще в 1948 году предложил эксперимент, который мог бы подтвердить квантовую теорию физического вакуума (то, что вакуум на самом деле не пуст, а заполнен то и дело виртуально возникающими и исчезающими парами частиц и античастиц). Теперь американские исследователи сумели проверить этот эффект с точностью до 0,5 %. Выяснилось, что эффект Казимира действительно должен серьезно влиять на наноразмерные устройства.

Статья

Теория "холодного темного вещества" получила экспериментальное подтверждение

Канадским астрономам из Университета Торонто удалось измерить протяженность и определить форму массивных невидимых галактических ореолов, состоящих, согласно современным теориям, из темного вещества. Выяснилось, что размеры таких ореолов могут в 5-8 раз превышать видимые размеры галактик (то есть светящееся вещество - звезды). Ученые использовали в своих целях эффект, называемый "гравитационным линзированием".

Статья

Темная энергия уходит в тень: получено новое свидетельство существования антигравитации

Астрономы Слоановского цифрового обзора неба объявили о получении еще одного независимого свидетельства существования таинственной темной энергии. Исследователи нашли своеобразный отпечаток темной энергии (или, как они называют это явление, "тень" темной энергии) путем изучения корреляций между изображениями миллионов галактик, полученных в ходе реализации программы SDSS, и картой распределения вариаций температуры реликтового излучения, "нарисованной" зондом WMAP.

Статья

Super-WIMPs: темная материя может оказаться необнаружимой в принципе

90 % всей материи Вселенной не просто скрывается в виде "не испускающего свет" вещества, а содержится в форме частиц, названных super-WIMPs (сверхслабо- взаимодействующие массивные частицы), перед которыми, в отличие от "просто" WIMPs, совершенно бессильны все известные способы обнаружения темного вещества.

Статья

"Частица бога" не откроет тайну американцам

Один из ключевых вопросов современной физики высоких энергий - подтверждение или опровержение существования теоретически предсказанной еще в 1964 году экзотичной субатомной частицы, называемой бозоном Хиггса. Предполагается, что бозон Хиггса сыграл основную роль в механизме, посредством которого некоторые частицы (кварки, лептоны) во время Большого взрыва приобрели массу, а другие остались безмассовыми (фотоны).

Статья

"Твикинг" гравитации покончит с потребностью в странных силах

Факт существования темной энергии, казалось бы, однозначно подтвержден наблюдениями за удаленными сверхновыми и экспериментами с микроволновым космическим фоном. Однако теперь группа американских физиков показывает, что факт непрерывно ускоряющегося расширения Вселенной, который лег в основу подобной гипотезы, можно объяснить и не призывая на помощь мистическую "дарк энерджи".

Статья

Вселенная во власти "темной энергии": новое доказательство

Наблюдения за отдаленными квазарами показывают, что основная часть энергии во Вселенной содержится в форме таинственной "темной энергии". Долгое время считалось, что модель расширяющейся Вселенной, по крайней мере, на современном ее этапе, позволяет обойтись без этой новой сущности.

Статья

Астрономы обнаружили "потерявшиеся" барионы

Астрономы обнаружили новый тип разогретого межгалактического газа, с помощью которого можно локализовать невидимое присутствие темного вещества во Вселенной. Газовое облако, в триллион раз массивнее, чем наше Солнце, и в 150 раз более горячее, окружает нашу местную группу галактик, в которую входит Млечный путь, туманность Андромеды и еще приблизительно 30 мелких галактик.

Статья

Обнародован "портрет" юной Вселенной, полученный зондом WMAP

Новые данные от зонда WMAP обеспечили космологов информацией, позволяющей нарисовать реальную картину раннего этапа в развитии Вселенной. Кроме того, определен возраст нашего мира с беспрецедентной точностью. Он составляет 13,7 млрд лет. Самое большое удивление ученые испытали, когда при анализе данных выяснилось, что первая генерация звезд появилась спустя всего лишь 200 млн лет после Большого взрыва.

Статья

Разработана батарейка для наномашин

Американские исследователи запатентовали технологию, позволяющую создавать батарейки поперечником в тысячные доли миллиметра. Изготовление таких микроскопических блоков питания - первый и едва ли не самый неотложный шаг к построению реально работающих наномашин. Сверхминиатюрные роботы могли бы производить химический анализ окружающей среды или вводить микропорции лекарства, находясь в человеческом организме.

Статья

Королевский астроном, известный фантаст и принц пугают нас приближающимся апокалипсисом

Выдающийся британский ученый считает, что в настоящее время шансы близкого всемирного апокалипсиса стремительно возросли и составляют примерно 50 на 50. Впрочем, как-то сомнительно, что этот довольно пессимистический взгляд на окружающую нас действительность станет основой для букмекерских ставок.

Статья

Когда сказка станет пылью... (Нанотехнологии: революция начинается)

В самые ближайшие годы произойдет технологическая революция, в результате которой мы обзаведемся портативными мощными хранилищами памяти, всевидящими глазами и всеслышащими ушами, невидимыми помощниками, готовыми исполнить любую прихоть, и к тому же станем практически бессмертными.

Статья

Последняя нерешенная проблема классической физики близка к решению благодаря сверхтекучему гелию

Это кажется невероятным, но теории гидродинамической турбулентности в завершенном виде не существует до сих пор, созданы только так называемые полуэмпирические теории турбулентности. Вообще это является одной из важнейших проблем современной теорфизики. Теперь сделан важный шаг в описании турбулентности в сверхтекучем гелии-3, что может помочь, наконец, в решении проблемы турбулентности и в классических жидкостях.

Статья

Разрешена одна из загадок космических лучей

Казалось бы, в одной-единственной цифре не может быть ничего выдающегося, однако это позволило не только разрешить споры о месте рождения пульсара и определить размер его нейтронной звезды (а стало быть, уточнить физическую модель этого объекта), но и, возможно, открыть одну из важнейших тайн космических лучей.

Статья

Теория относительности топит субмарины

Бразильский физик решил задачку, "подброшенную" релятивистской теорией, так называемый "парадокс субмарины". Для разбора этого "парадокса" пришлось использовать Общую теорию относительности и включить в решение эффект искривляющих пространство гравитационных сил, получив своеобразный модифицированный релятивистский закон Архимеда.

Статья

Впервые удалось измерить скорость гравитации

Впервые с приемлемой точностью удалось измерить скорость гравитации. Измерялось небольшое видимое изменение позиции квазара, вызванное изгибом пути радиоволн от этого источника в поле тяготения Юпитера. Результат важен с точки зрения "закрытия" некоторых вариантов современных теорий и поддержки других - он связан с космологическими теориями множественных вселенных и так называемой теории струн или суперструн.

Статья

Постоянство гравитационной постоянной G под сомнением

Новый эксперимент швейцарских физиков, поставленный для уточнения значения гравитационной постоянной G, прибавил весомости довольно спорной теории, согласно которой на силу гравитации оказывает влияние магнитное поле Земли.

Статья

Экспериментаторы ищут новые силы, предсказанные теориями суперструн

Самый чувствительный на настоящее время эксперимент по оценке гравитационного взаимодействия на сверхмалых расстояниях не дал новых козырей в руки сторонников теории суперструн. Но, несмотря на все это, идеи дополнительных измерений становятся необычайно популярными в связи с кризисом стандартных физических моделей, не способных объяснить новые наблюдения - ускоренно расширяющейся Вселенной, в которой царит темная энергия.

Статья

Физики надеются обнаружить изменение фундаментальных констант со временем

Две группы физиков на протяжении последних лет провели целый ряд аккуратных экспериментов в надежде обнаружить непостоянство природных констант, до сих пор считавшихся не изменяющимися со временем. До настоящего момента данные на эту тему добывались астрофизическими методами и указывали на возможность подобных вариаций.