efect de știință de rețea Casimir

Forța de atracție între două suprafețe într-un vid, mai întâi prezis de Genrihom Kazimirom (Hendrik Casimir) în urmă cu peste 50 de ani, poate afecta aproape orice - de la Microdevices la teorii ale Universului.

Ce se întâmplă dacă luați două oglinzi și instalați-le oglindesc părțile reciproc, în spațiul gol. Da, nimic nu se va întâmpla, tu spui. O oglindă de fapt, atrași unul de celălalt, datorită faptului că există un vid între ele. Acest fenomen a fost mai întâi prezis de fizicianul german teoretic Genrihom Kazimirom în 1948, când a lucrat la Philips Research Laboratories din Eindhoven, centrul de cercetare (Eindhoven) a soluțiilor coloidale (a se vedea. Caseta 1). Acest fenomen este numit efectul Casimir, iar forța generată între oglinzi - forța Casimir.

Timp de mulți ani, efectul Casimir nu a fost mult mai mult decât o teorie interesantă. Dar interesul pentru acest fenomen a crescut în ultimii ani. fizicienii experimentale au descoperit că forța Casimir afectează mecanismele microscopice și progresele în echipamentul tehnic, a făcut posibilă măsurarea cu această forță considerabil mai mare precizie.

Interesant, acest efect din punct de vedere al fizicii fundamentale. Multe teorii prezice existența unor dimensiuni suplimentare „extinse“, în 10 și teorii 11-dimensionale. Conform acestor teorii, ar trebui să observăm o abatere de la gravitatia newtoniene clasice la distanțe sub-milimetri. Măsurătorile efectului Casimir poate astfel contribui la verificarea acestor ipoteze.

Kazimierz și soluții coloidale

Unul dintre colegii Casimir, Theo Overbeek (Theo Overbeek), a constatat că teoria folosită pentru a explica forțele van der Waals, dezvoltat de Fritz London (Fritz London) în 1932, nu poate explica în mod adecvat datele experimentale. Ulterior Overbeek a cerut Casimir pentru a investiga problema. Lucrând împreună cu Dirk Polder (Dirk Polder), Casimir a descoperit că interacțiunea dintre cele două molecule neutre nu pot fi descrise în mod adecvat numai pe baza vitezei constante a luminii.

Curând Casimir observat că acest rezultat poate fi descris, dacă luăm în considerare fluctuațiile vidului. Se întreba ce s-ar întâmpla dacă, în loc de cele două molecule ar fi două oglinzi în unghi laturi otrazhayushimi împreună. Această întrebare l-au condus la faimoasa predicție a forței prityagvayuschey existente între plăci reflectorizante.

Care este forța Casimir?

Deși forța Casimir pare complet nenatural, se poate înțelege. In zilele mecanicii clasice o idee a vidului a fost simplu. Înțeles vid „rezervor“ de tot felul de particule, care sunt la temperaturi scăzute de până la zero absolut. Odată cu apariția mecanicii cuantice, viziunea noastră a vidului schimbat dramatic. Toate câmpurile electromagnetice -, în special - fluctuează. Cu alte cuvinte, valoarea lor, la fiecare moment de timp nu este egală cu o constantă (valoare medie), și „variind de“ lângă ea. Chiar și pentru un vid „adevărat“ aproape de zero absolut sunt cunoscute așa-numitele „fluctuații de vid“, cu o energie medie egală cu jumătate din energia fotonilor (acesta este cazul câmpului electromagnetic).

Poate părea că fluctuațiile de vid este unele abstracție care a apărut în creier bolnave de fizica, dar nu este. manifestările lor observabile pot fi bine observate experimental într-un microcosmos. De exemplu, atomul nu va rămâne pe termen nelimitat într-o stare excitată, și merge în pământ, în mod spontan emit un foton. Acest fenomen - rezultatul fluctuațiilor de vid. Încercați să dețină un creion, „erect“, la sfârșitul degetului. El va sta, dar numai dacă mâna ta este absolut stabil și nimic nu va perturba echilibrul unui creion. Dar cea mai mică ezitare plonja creionul într-o stare mai stabilă de echilibru. Și atomul în stare de excitație - sub acțiunea fluctuațiilor de vid, se duce în starea sa la sol.

forța Casimir - cel mai bine cunoscut manifestarea fluctuațiilor de vid mecanice. Luați în considerare diferența dintre cele două oglinzi plane ca de potențial (nota 1). Toate câmpurile electromagnetice au un spectru caracteristic format iso multe frecvențe diferite. În vid liber toate frecvențele egale. Dar într-un potențial bine, în cazul în care câmpul este reflectat, „penduleaza“ între oglinzi, situația este diferită de cazul în vid liber. Câmpul este îmbunătățită dacă întreg lungimi de undă și jumătate exactă „se potrivesc“ în gaura. Aceste lungimi de undă corespund „rezonanța de potențial.“ Lungimile de undă diferite de rezonanță, în contrast, sunt suprimate. fluctuațiile de vid sunt suprimate sau îmbunătățite în funcție de faptul dacă acestea corespund frecvenței de rezonanță sau nu.

Când se discută despre forța Casimir, să nu mai vorbim de „presiunea câmpului de radiație.“ Fiecare câmp - chiar și vidul - poarta de energie. Câmpurile electromagnetice nu numai este distribuit în spațiu - au pus de asemenea presiune pe suprafață, precum și presiunea apei de pe baraj. Presiunea de radiație crește odată cu creșterea energiei și, astfel, o frecvență a câmpului electromagnetic. presiune de radiații pe frecvențele de rezonanță în cavitatea este mai puternică decât oglinzile exterioare și respins. Dincolo de rezonanță, dimpotrivă - este mai mică decât presiunea din interiorul decât oglinzile exterioare și atrași unul de celălalt. Având în vedere că repulsia are loc la un anumit set de frecvențe, iar atracția - la toate celelalte frecvențe, atragerea de componente este încă „mai puternic“ respingător. Trebuie remarcat faptul că ambele componente - atât de atractiv și respingătoare - există simultan.

Deci, două plat oglindă parallelnyh, datorită efectului Casimir ideale sunt atrasi unul de celalalt. Forța, este proporțională cu suprafața totală a oglinzii și invers proporțională cu puterea a 4-a distanței dintre oglinzi :. În afară de aceste cantități geometrice forța depinde numai de constante fundamentale - constanta lui Planck și viteza luminii.

Deoarece forța Casimir este foarte slabă, aceasta poate fi găsită numai dacă oglinzile sunt separate de câteva microni (mai degrabă decât de câțiva metri). De exemplu, două oglinzi cu suprafețe separate de o distanță de 1 micron, sunt desenate cu o forță în Newtoni - este greutatea apei scade la jumătate de milimetru in diametru. Deși această forță pare mică, la distanțe mai mici de un micron este în creștere puternic și este comparabil cu forțele naturale. La distanțe de ordinul a 10 nm - sute atom mărimi tipice - presiunea generată de efectul Casimir este comparabil cu presiunea atmosferică.

Deși viața posvednevnoy și nu avem afacerile cu astfel de distanțe mici, acestea sunt importante în domeniul nanotehnologiei și sisteme microelectromecanice (MEMS). Aceste dispozitive „inteligente“ de dimensiuni micronice în care membrii mecanice și de conducere, cum ar fi senzori mici, micromotoare, tăiate pe un substrat de siliciu. Ele sunt folosite în știință și inginerie, cum ar fi manometre în mașini.

Măsurarea efectului Casimir

Efectul Casimir a fost prezis, așa cum deja am menționat mai devreme, în 1948, dar deschide-l experimental, folosind tehnologia de timp, a fost foarte dificil. Unul dintre primele experimente a fost realizat în 1958 de către Marcus godu Spaarnay (Marcus Spaarnay) de la Philips Center din Eindhoven, care isledoval forță Casimir generat între două oglinzi metalice plate din aluminiu, crom sau oțel. Spaarnay măsurată forța cu ajutorul arcurilor de echilibru, tensiune care este determinat de volumul cuprins între plăcile. Pentru a forța Casimir nu a fost adoptată și pentru oglinzile retrovizoare electrostatice păstrează neutre. Spaarnay asigură, de asemenea paralelă strictă a oglinzilor plane, ca forța Casimir este foarte sensibil la distanta. Spaarnay depăși aceste dificultăți și a concluzionat că rezultatele „nu contrazic prezicerile teoretice Casimir.“

Inspirat de descoperire Lamoreaux, mulți alți cercetători au început să pună noi experimente pentru a măsura efectele forței Casimir. De exemplu, Umar Mohiden cu angajații Universității din California, Riverside (Riverside) atașat polistiren sferă de 200 microni în diametru la varful unui microscop atomic (Nota 3). Intr-o serie de experimente au adus domeniul de aplicare acoperite, aluminiu sau aur, la o distanță de 0,1 microni de disc plat acoperite cu astfel de materiale. Rezultatul atracției dintre sfera și discul sa manifestat în respingerea razei laser. Abaterea rezultatelor grupului de predicție teoretic nu depășește 1%.

Edet Thomas (Thomas Ederth) de la Institutul Regal de Tehnologie (Institutul Regal de Tehnologie) din Stockholm, Suedia, a folosit, de asemenea, microscop atomic pentru a studia efectul Casimir. Se măsoară forța care apare între cei doi cilindri, acoperite cu aur, rotit cu 90 ° în raport cu cealaltă și separate de o distanță de 20 nanometri. Rezultatul său este în concordanță cu teoria mai mare de 99% (a se vedea nota 4).

Cu toate acestea, nu foarte multe experimente care măsoară forța Casimir, a fost folosit ca planurile de configurare originale oglinzi paralele. Acest lucru se datorează faptului că au nevoie pentru a menține în paralel pe tot parcursul experimentului, este foarte dificil. Considerabil mai ușor pentru a aduce sfera este suficient de aproape de oglinda, deoarece distanța dintre obiectele utilizate în formula de calcul a forțelor, în acest caz - o distanță între cele mai apropiate puncte. Singurul dezavantaj de a folosi o sferă și o oglindă plan este faptul că calculele forței Casimir, în acest caz, nu este la fel de precisă ca și în cazul a două oglinzi paralele. În special, se presupune că contribuțiile de forță între sfera și placa complet independente la fiecare punct. Dar acest lucru este valabil numai în cazul în care raza sferei este mult mai mare decât distanța dintre sfera și placa.

calcule mai exacte

Problema în studierea efectului Casimir este că oglinzile convenționale - nu sunt perfect netede și plate, așa cum se vede Hendrik Casimir. În special, oglinzile convenționale nu sunt reflectă perfect toate lungimile de undă. În unele, ele reflectă bine - chiar aproape perfect, în același timp cu ceilalți - este rău. În plus, toate oglinzile devin transparente la frecvențe foarte înalte. Astfel, în calcularea forței Casimir este necesar să se ia în considerare coeficienții de reflexie dependente de frecvență ale oglinzilor. Această problemă este considerată Evgeny Lifshitz în 1950, apoi Dzhulian Shvinger (Julian Schwinge) și multe altele.

Sa dovedit că forța Casimir măsurată între oglinzi metalice convenționale, situate la o distanță de 0,1 microni, este doar jumătate din care a prezis de teoria pentru o oglindă perfectă. Dacă nu luați în considerare această diferență atunci când se compară datele experimentale cu teoria, aceasta poate fi concluzia greșită că acest dezacord este cauzată de existența unei noi forțe. Astrid Lambrecht (Astrid Lambrecht) și colegul său, Serj Reynod (Serge Reynaud) a efectuat calculele sale pentru comportamentul real al oglinzilor, luând în considerare proprietățile fizice ale metalelor. Ei au ajuns la concluzia că, în cazul cel mai simplu model al oglinzii se comporta „normal“ la distanțe mai mari de 0,5 microni.

Un alt prblemy care apar la calcularea valorii teoretice a forței Casimir, este faptul că experimentul nu poate, în principiu, să fie efectuată la zero absolut - care presupune în calculul Casimir - și a avut loc la temperatura camerei. Din acest motiv trebuie să luăm în considerare fluctuațiile termice. Ele pot crea propria lor presiune radiații și, astfel, crește efectul forței Casimir. De exemplu, forța Casimir între oglinzi plane, distanțate microni 7, la temperatura camerei, este de două ori mai mare decât la zero absolut. Din fericire, fluctuațiile termice la temperatura camerei sunt importante doar la distanțe mai mari de un micron, la distanțe scurte cu lungimi de fluctuații sunt prea mari pentru cel puțin o dată satisface pe deplin potențialul de bine.

A treia și ultima problemă în calcularea forței Casimir este faptul că aceste oglinzi nu sunt perfect netede. Marea majoritate a oglinzilor sunt realizate prin acoperirea unei baze subțire de film de metal; se folosește „sputtering“ tehnica. In acest caz, grosimea filmului variază de la 50 nm. Această precizie este invizibil pentru ochiul liber, dar are un efect asupra valorii măsurate a forței Casimir, care este foarte sensibil la distanta.

Mohiden (Mohideen) și echipa sa (California), folosind suprafața deformată, au arătat recent că aceste suprafețe se confruntă, de asemenea, „SIDE“ forța Casimir, care nu acționează într-o perpendiculară și pe o direcție paralelă în raport cu oglinda. Pentru experimente, care le-au pregătit o oglindă specială, a cărei suprafață au fost curbate sinusoidal. Apoi au fost în mișcare oglinzi, astfel încât vârful unuia dintre oglinzi este trecut succesiv prin vârfurile și „minimele“ de-a doua oglindă. Sa constatat că lateral Casimir forța variază cu sinusoidal diferența de fază dintre cele două „valuri“. Forța a fost de 10 ori mai mică decât ar fi în cazul oglinzilor „normale“ separate de aceeași distanță. Lateral forta natura sa este de asemenea necesară la fluctuațiile de vid.

Mehran Kadar (Mehran Kadar), cu personalul de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts au calculat o valoare teoretică a forței între două oglinzi ondulate perfect otrazhayushimi, in timp ce colegii Mohiden numărat pentru oglinzi de metal și a găsit un acord bun între teorie și experiment. forța Casimir laterală poate avea și alte implicații pentru microdevices.

Efectul Casimir poate juca, de asemenea, un rol în măsurarea precisă a forței în microcosmosul la scalele micro- și nanometrică. Legea lui Newton a fost testat de mai multe ori în macrocosmos, de exemplu, în studiul mișcării planetelor. Dar nimeni nu a fost în măsură să-l testa la distante micron cu o precizie bună. Astfel de teste sunt importante, deoarece există mai multe teorii, în care există o asociație de toate cele patru interacțiuni, iar aceste teorii prezice existența unor noi forțe care acționează asupra acestor scale. Astfel, orice discrepanță între teorie și experiment poate fi interpretat ca existența unor forțe noi. În orice caz, măsurătoarea se va pune noi restricții cu privire la teoria suschestvuyushie.

Jeans Gandblah (Jens Gundlach) de la Washington cu colegii, de exemplu, folosind un pendul de torsiune pentru determinarea forța gravitațională dintre cele două mase de testare separate de 10 mm la 220 de microni. Măsurătorile lor au confirmat faptul că gravitația newtoniană acționează asupra acestor scale, iar forța Casimir domină la distanțe mult mai scurte. Între timp, Joshua Long (Joshua Long), Dzhonn se roagă (John Price), cu colegii de la Universitatea Colorado cu Ephram Fischbach (Ephraim Fischbach) si colegii sai de la Universitatea Pardo (Universitatea Purdue) a încercat să elimine efectele efectului Casimir la testul gravitatiei submillimeter cu mai atentă selectarea materialelor utilizate în experiment.

Dar, în ciuda eforturilor sale cele mai bune de cercetători, există încă multe probleme nerezolvate în legătură cu efectul Casimir. În special, întrebarea aparent simplă a forței Casimir într-o singură sferă goală la interior este încă în flăcări. Nici măcar sigur dacă această forță este atractiv sau respingătoare. Hendrik Casimir însuși gândit la această problemă în 1953, în timp ce în căutarea unui model de electroni stabil.

articole similare