Casimir-efekti

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 9. huhtikuuta 2022 tarkistetusta versiosta . vahvistus vaatii 1 muokkauksen .

Casimir-ilmiö (Casimir-Polder-ilmiö)  on vaikutus, joka koostuu johtavien varautumattomien kappaleiden keskinäisestä vetovoimasta tyhjiön kvanttivaihteluiden vaikutuksesta . Useimmiten puhutaan kahdesta rinnakkaisesta latautumattomasta peilipinnasta , jotka on sijoitettu lähelle, mutta Casimir-ilmiö on olemassa myös monimutkaisemmilla geometrioilla.

Optisesti anisotrooppisille kappaleille Casimir-vääntömomentin esiintyminen on myös mahdollista riippuen näiden kappaleiden optisten pääakseleiden keskinäisestä suunnasta [1] .

Casimir-ilmiön syy on fyysisen tyhjiön energiavaihtelut, jotka johtuvat siitä jatkuvasta virtuaalihiukkasten syntymisestä ja katoamisesta . Hollantilainen fyysikko Hendrik Casimir ( 1909-2000 ) ennusti vaikutuksen vuonna 1948 [2] ja myöhemmin vuonna 1957 [3] [4] vahvistettiin kokeellisesti.

Essence of Effect

Kvanttikenttäteorian mukaan fysikaalinen tyhjiö ei ole absoluuttinen tyhjiö. Virtuaalihiukkasten ja antihiukkasten pareja syntyy jatkuvasti ja katoaa siihen  - näihin hiukkasiin liittyvissä kentissä on jatkuvia värähtelyjä (vaihteluita). Erityisesti fotoniin liittyy sähkömagneettisen kentän värähtelyjä . Tyhjiössä syntyy ja katoaa virtuaalisia fotoneja, jotka vastaavat kaikkia sähkömagneettisen spektrin aallonpituuksia .

Makroskooppisten kappaleiden viemiseksi tyhjiöön, jopa ilman varausta, on suoritettava tietty työ, joka vaaditaan tyhjiön vaihtelukentän rajaehtojen muuttamiseksi. Tämän työn moduuli on yhtä suuri kuin tyhjiön nollavärähtelyjen energioiden ero kappaleiden poissa ollessa ja läsnä ollessa [5] .

Esimerkiksi lähekkäin olevien peilipintojen välisessä tilassa heilahtelukentän rajaehdot, verrattuna tyhjiöön ilman kappaleita, muuttuvat seuraavasti. Tietyillä resonanssipituuksilla (kokonaisluku tai puolikokonaisluku mahtuu pintojen väliin) sähkömagneettiset aallot vahvistuvat. Kaikilla muilla pituuksilla, jotka ovat suurempia, päinvastoin nämä aallot vaimentuvat (eli vastaavien virtuaalisten fotonien tuotanto vaimenee). Tämä johtuu siitä, että levyjen välisessä tilassa voi esiintyä vain seisovia aaltoja, joiden amplitudi levyillä on nolla. Tämän seurauksena virtuaalisten fotonien paine sisäpuolelta kahdelle pinnalle osoittautuu pienemmäksi kuin ulkopuolelta tuleva paine , jossa fotonien tuotantoa ei ole rajoitettu millään tavalla. Mitä lähempänä pinnat ovat toisiaan, sitä vähemmän aallonpituuksia niiden välillä on resonanssissa ja sitä enemmän niitä vaimenee. Tällaista tyhjiötilaa kutsutaan joskus kirjallisuudessa Casimir-tyhjiöksi . Tämän seurauksena pintojen välinen vetovoima kasvaa.

Ilmiö voidaan kuvaannollisesti kuvata "negatiiviseksi paineeksi", kun tyhjiössä ei ole vain tavallisia, vaan myös osa virtuaalisia hiukkasia, eli "he pumppasivat kaiken ja vähän enemmän". Myös Scharnhorst-ilmiö liittyy tähän ilmiöön .

Analogia

Laivan imuilmiö on samanlainen kuin Casimir-ilmiö, ja ranskalaiset merimiehet havaitsivat sen jo 1700-luvulla . Kun kaksi laivaa , jotka heiluivat puolelta toiselle voimakkaissa meriolosuhteissa , mutta heikossa tuulessa , olivat enintään 40 metrin etäisyydellä alusten välisessä tilassa tapahtuneen aallon häiriön seurauksena, aallot pysähtyivät. Laivojen välinen tyyni meri aiheutti vähemmän painetta kuin laivojen ulkoreunojen aallot. Tämän seurauksena syntyi voima, joka yritti työntää laivoja sivuttain. Vastatoimenpiteenä 1800-luvun alun laivauskäsikirja suositteli, että molemmat alukset lähettäisivät 10–20 merimiehen pelastusveneen työntämään laivoja erilleen. Tämän vaikutuksen vuoksi (muun muassa) valtamereen muodostuu nykyään roskasaaria .

Vaikutus muistuttaa myös Le Sagen kineettistä painovoimateoriaa , joka koostuu kappaleiden työntämisestä toisiaan vasten joidenkin hypoteettisten hiukkasten paineessa.

Kasimirin voiman suuruus

Pinta-alayksikköä kohti vaikuttava vetovoima kahdelle rinnakkaiselle ideaalipeilipinnalle absoluuttisessa tyhjiössä on [6]

missä

 on pelkistetty Planckin vakio ,  on valon nopeus tyhjiössä,  on pintojen välinen etäisyys.

Tämä osoittaa, että Casimirin vahvuus on erittäin pieni. Etäisyys, jolla se alkaa olla havaittavissa, on useiden mikrometrien luokkaa . Kuitenkin, koska se on kääntäen verrannollinen etäisyyden 4. potenssiin, se kasvaa erittäin nopeasti etäisyyden pienentyessä. 10  nm :n  luokkaa - satoja tyypillisen atomin kokoisia - etäisyyksillä  Casimir-ilmiön synnyttämä paine osoittautuu verrattavissa olevaksi ilmanpaineeseen.

Monimutkaisemman geometrian tapauksessa (esim. pallon ja tason vuorovaikutus tai monimutkaisempien esineiden vuorovaikutus) kertoimen numeerinen arvo ja etumerkki muuttuvat [7] , joten Casimir-voima voi olla sekä houkutteleva voima. voima ja hylkivä voima.

Huolimatta siitä, että Casimir-voiman kaava ei sisällä hienorakennevakiota  - sähkömagneettisen vuorovaikutuksen pääominaisuutta - tällä vaikutuksella on kuitenkin sähkömagneettinen alkuperä. Kuten huomautuksessa [8] näkyy , kun levyjen äärellinen johtavuus otetaan huomioon, esiintyy riippuvuus , ja voiman standardilauseke esiintyy rajatapauksessa , jossa  on levyn elektronitiheys.

Grafeeni

Casimir-ilmiö määrittää minkä tahansa sähköisesti neutraalin kohteen vuorovaikutuksen pienillä etäisyyksillä (mikrometrin luokkaa tai vähemmän). Realististen materiaalien tapauksessa vuorovaikutuksen suuruus määräytyy materiaalin bulkkiominaisuuksien mukaan (permittiivisyys dielektrien tapauksessa, metallien johtavuus). Laskelmat kuitenkin osoittavat, että jopa yksiatomisilla grafeenikerroksilla Casimir-voima voi olla suhteellisen suuri, ja vaikutus voidaan havaita kokeellisesti [9] [10] .

Löytöhistoria

Hendrik Casimir työskenteli Philips Research Laboratoriesissa Alankomaissa tutkien kolloidisia liuoksia  - viskooseja aineita, joiden koostumuksessa on mikrometrin kokoisia hiukkasia. Yksi hänen kollegoistaan ​​Theo Overbeek havaitsi , että kolloidisten liuosten käyttäytyminen ei ollut täysin sopusoinnussa olemassa olevan teorian kanssa ja pyysi Casimiria tutkimaan tätä ongelmaa. Casimir tuli pian siihen tulokseen, että poikkeamat teorian ennustamasta käyttäytymisestä voidaan selittää ottamalla huomioon tyhjiön vaihteluiden vaikutus molekyylien välisiin vuorovaikutuksiin. Tämä johti hänet kysymykseen, mikä vaikutus tyhjiön vaihteluilla voi olla kahteen yhdensuuntaiseen peilipintaan, ja johti kuuluisaan ennustukseen vetovoiman olemassaolosta jälkimmäisten välillä.

Kokeellinen löytö

Kun Casimir teki ennustuksensa vuonna 1948 , olemassa olevien teknologioiden epätäydellisyys ja vaikutuksen äärimmäinen heikkous teki sen kokeellisesta todentamisesta erittäin vaikeaksi. Yhden ensimmäisistä kokeista suoritti vuonna 1958 Marcus Spaarnay Philips - keskuksesta Eindhovenissa . Spaarney päätteli, että hänen tulokset "eivät ole ristiriidassa Casimirin teoreettisten ennusteiden kanssa". Vuonna 1997 aloitettiin sarja paljon tarkempia kokeita, joissa havaittujen tulosten ja teorian välinen yhteneväisyys todettiin yli 99 prosentin tarkkuudella.

Vuonna 2011 ryhmä Chalmersin teknillisen yliopiston tutkijoita vahvisti dynaamisen Casimir-ilmiön . Kokeessa SQUID -muunnoksen ansiosta tutkijat saivat peilin vaikutelman, joka magneettikentän vaikutuksesta värähteli nopeudella, joka oli noin 5% valon nopeudesta. Tämä osoittautui riittäväksi dynaamisen Casimir-ilmiön havaitsemiseen: SQUID säteili mikroaaltofotonien virran, ja niiden taajuus oli yhtä suuri kuin puolet "peilin" värähtelytaajuudesta. Juuri tämän vaikutuksen ennusti kvanttiteoria [11] [12] .

Vuonna 2012 Floridan yliopiston tutkijaryhmä rakensi ensimmäisen sirun, joka mittasi Casimir-voiman elektrodin ja 1,42 nm paksun piikiekon välillä huoneenlämpötilassa. Laite toimii automaattitilassa ja on varustettu taajuusmuuttajalla, joka säätää levyjen välistä etäisyyttä 1,92 nm:stä 260 nm:iin pitäen samalla samansuuntaisuutta. Mittaustulokset sopivat melko tarkasti teoreettisesti laskettujen arvojen kanssa. Tämä koe osoittaa, että tietyillä etäisyyksillä Casimir-voima voi olla pääasiallinen vuorovaikutusvoima levyjen välillä [13] [14] .

Vuonna 2015 oli mahdollista havaita ja mitata Casimir-vääntömomentti kokeellisesti [15] .

Nykyaikainen tutkimus Casimir-ilmiöstä

Sovellus

Vuoteen 2018 mennessä venäläis-saksalainen fyysikkoryhmä ( V. M. Mostepanenko , G. L. Klimchitskaya , V. M. Petrov ja Darmstadtin ryhmä, jota johti Theo Tschudi ) kehitti teoreettisen ja kokeellisen järjestelmän lasersäteisiin perustuvalle miniatyyrioptiselle kvanttikatkaisijalle [ en ] Casimir-ilmiö, jossa Casimir-voimaa tasapainotetaan kevyellä paineella [16] [17] .

Kulttuurissa

Casimir-ilmiötä kuvataan yksityiskohtaisesti Arthur C. Clarken tieteiskirjassa Light of Other Days , jossa sitä käytetään luomaan kaksi parillista madonreikää aika-avaruudessa ja välittämään tietoa niiden kautta.

Muistiinpanot

  1. ↑ Barash Yu. S., Ginzburg V. L. Aineen sähkömagneettiset vaihtelut ja kappaleiden väliset molekyylivoimat (van der Waals) // UFN , osa 116, s. 5-40 (1975)
  2. ↑ Casimir HBG Kahden täydellisesti johtavan levyn välisestä vetovoimasta  //  Proceedings of the Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschhappen: Journal. - 1948. - Voi. 51 . - s. 793-795 .
  3. ↑ Sparnaay, MJ Tasaisten levyjen väliset vetovoimat   // Luonto . - 1957. - Voi. 180 , ei. 4581 . - s. 334-335 . - doi : 10.1038/180334b0 . - .
  4. ↑ Sparnaay, M. Tasaisten levyjen välisten vetovoimien mittaukset  //  Physica: Journal. - 1958. - Voi. 24 , nro. 6-10 . - s. 751-764 . - doi : 10.1016/S0031-8914(58)80090-7 . - .
  5. ↑ Itsikson K., Zuber J.-B. Kvanttikenttäteoria. T. 1 - M .: Mir , 1984. - Levikki 6000 kappaletta. - Kanssa. 171
  6. ↑ Sadovsky M. V. Luennot kvanttikenttäteoriasta. - Moskova-Izhevsk, Computer Research Institute, 2003. - ISBN 5-93972-241-5  - Painos 800 kpl. - Kanssa. 67.
  7. ↑ Physical Encyclopedia, osa 5. Stroboskooppiset laitteet - Kirkkaus / Ch. toim. A. M. Prokhorov. Ed. Kol.: A. M. Baldin, A. M. Bonch-Bruevich jne. - M .: Great Russian Encyclopedia, 1994, 1998. - 760 s. — ISBN 5-85270-101-7 , s. 644 .
  8. ↑ R. Jaffe . Casimir - efekti ja kvanttityhjiö  .
  9. ↑ Bordag M., Fialkovsky IV, Gitman DM, Vassilevich DV Casimir vuorovaikutus täydellisen johtimen ja Dirac-mallin kuvaaman grafeenin välillä  // Physical Review B  : Journal  . - 2009. - Vol. 80 . — P. 245406 . - doi : 10.1103/PhysRevB.80.245406 .
  10. ↑ Fialkovsky I. V., Marachevskiy V. N., Vassilevich D. V. Rajallinen lämpötila Casimir-efekti grafeenille  . – 2011.
  11. ↑ Fyysikot rekisteröivät ensin dynaamisen Casimir-ilmiön (pääsemätön linkki) . Haettu 15. heinäkuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 20. tammikuuta 2012. 
  12. ↑ Artikkeli dynaamisesta Casimir-ilmiöstä Naturessa
  13. ↑ Ensimmäinen siru, joka mittaa Casimirin voiman
  14. ↑ Insinöörit paljastavat ensimmäisen Casimir-sirun, joka hyödyntää tyhjiöenergiaa | MIT Technology Review
  15. ↑ David A. T. Somers, Joseph L. Garrett, Kevin J. Palm ja Jeremy N. maanantai 19. joulukuuta Kasimirin vääntömomentin mittaus 2018 // Luonto , osa 564, sivut 386-389 (2018)
  16. ↑ G. L. Klimchitskaya, V. V. Mostepanenko, V. V. Petrov, T. Tschudi. Casimir Force -voiman ohjaama optinen  katkaisija (neopr.)  // Phys. Rev. Sovellettu. - 2018. - T. 10 , nro 1 . - S. 014010 . - doi : 10.1103/PhysRevApplied.10.014010 .
  17. ↑ KFU:n fyysikko kehitti yhdessä ryhmän tutkijoita kanssa uuden laitteen optisiin viestintäjärjestelmiin , KFU-mediaportaalin  (26. helmikuuta 2019).

Kirjallisuus

Linkit

  Siirry Wikidata-kohteeseen  Sanakirjat ja tietosanakirjat
Bibliografisissa luetteloissa
 kvanttielektrodynamiikka