Лауреаты конкурса «Свободный полёт - 2013»

    О фонде  Конкурс Свободный полёт  Конкурс творческих идей  Собрание конкурсных работ  Физика  Математика  Это интересно 

Наблюдение эффекта Казимира. Нулевые колебания квантовых полей

Эффект Казимира также, как лэмбовский сдвиг, является проявлением наличия квантовополевого электромагнитного вакуума, заполненного флуктуациями электромагнитного поля. В случае лэмбовского сдвига этот вакуум искажался кулоновским полем ядра, что перераспределяло энергии флуктуаций в зависимости от расстояния до ядра (так называемая поляризация вакуума). Неоднородная поляризация вакуума, в свою очередь, приводила к зависимости величины лэмбовского сдвига энергии электрона от его расстояния до ядра. Самые близкие к ядру ‑электроны имели наибольший сдвиг из-за взаимодействия с флуктуациями.

В случае эффекта Казимира неоднородность флуктуаций создается проводником (или даже диэлектриком), помещенным в вакуум. Мы будем рассматривать классический пример эффекта Казимира — взаимодействие двух бесконечных параллельных идеально проводящих пластин в вакууме. Из-за идеальной проводимости этих пластин электрическое поле внутри них должно отсутствовать, а на их поверхности должно иметь только нормальную составляющую. Эти граничные условия для электрического поля физически обусловлены взаимодействием с электронами проводимости внутри пластин и имеют место как для классического электрического поля, так и для поля вакуумных флуктуаций — как говорят, поля нулевых колебаний. В результате эти нулевые колебания перераспределяются в пространстве между пластинами, а также в пространстве за пластинами. Электромагнитное поле, как и все материальные поля и частицы, имеет энергию, поэтому флуктуации этого поля также обладают энергией. Оказывается, что энергия перераспределенных в пространстве нулевых колебаний электромагнитного поля зависит от расстояния между пластинами! Другими словами, если мы изменяем расстояние между пластинами, мы изменяем и энергию нулевых колебаний поля между ними и с внешних сторон от пластин. Получается, что при изменении расстояния между пластинами на мы совершаем дополнительную работу на изменение энергии флуктуаций (ведь энергия этих флуктуаций не есть «энергия из ничего», как нередко утверждается!). Чтобы совершить такую работу, мы должны приложить к пластинам силу , такую, что . Отсюда следует очевидный вывод: раз для перемещения пластин мы должны прикладывать к ним дополнительную силу , то на пластины действует сила Казимира, равная

против действия которой нам и приходится работать.

В случае электромагнитного поля эту силу нетрудно вычислить, и она оказывается равной

где — площадь пластин. Знак минус соответствует притяжению пластин. Таким образом, вакуум между пластинами обладает отрицательным давлением (натяжением) , которое и притягивает пластины друг к другу.

Подпись:  
Хендрик Казимир

Эффект Казимира был предсказан в 1948 году голландским физиком Хендриком Бругтом Герхардом Казимиром (1909–2000) и датчанином Дирком Полдером (1919–2001) на основе другой, эквивалентной модели — а именно, на основе аналогий с силами Ван дер Ваальса. Эти силы дальнодействующего притяжения между атомами приводят к известному даже из школьной программы уравнению Ван дер Ваальса для реального газа и убывают с расстоянием как . Окончательная теория этих сил была создана только в XX веке на основе квантовой механики. Согласно этой теории электронная оболочка атома может виртуально сдвинуться, так, что ее центр окажется на ненулевом расстоянии от ядра. В этом случае центры положительного и отрицательного зарядов в атоме уже не будут совпадать, т.е. у него появится ненулевой дипольный момент. Этот виртуальный дипольный момент создаст виртуальное электрическое поле в пространстве вокруг себя, которое, в свою очередь, будет вызывать такую же дипольную поляризацию других атомов — и, как результат, взаимодействие между ними. В классической физике для реализации данного механизма необходим источник энергии, который будет иногда переводить атомы в неравновесное, поляризованное состояние. Например, таким источником может служить тепловое движение атомов. Тем не менее, опыты показывают, что силы Ван дер Ваальса практически не зависят от температуры — стало быть, этот источник флуктуаций имеет другую природу. Оказалось, что флуктуации имеют квантовую природу и проявляются в считавшемся классическим вандерваальсовском взаимодействии.

Казимир предположил, что точно такой же процесс может иметь место в случае параллельных пластин. Действительно, уединенная пластина остается нейтральной, поскольку перераспределение зарядов на ней создаст электрическое поле, стремящееся снова вернуть ее в равновесное состояние полной электронейтральности. Однако при наличии второй пластины поляризация первой встретит на ней отклик в виде притяжения — и эти отклики, сложенные для всех возможных состояний виртуальной поляризации первой пластины, и должны дать силу их притяжения. Качественно показать это можно с использованием метода отражений. Действительно, пусть на первой пластине возникло элементарное дипольное возбуждение в виде двух равных по модулю и противоположных по величине зарядов (см. рис. выше). Пусть  —дипольный момент образовавшейся конфигурации. Тогда сила взаимодействия этого диполя со второй пластиной рассчитывается, если отразить каждый из зарядов относительно последней, изменив при этом их знак. В результате мы получаем дипольный момент , расположенный на расстоянии от первого. Сила взаимодействия этих диполей легко считается, и ее нормальная к пластинам компонента оказывается равной

где знак минус выбран, чтобы подчеркнуть притяжение ко второй пластине.

Между прочим, аналог эффекта Казимира известен в мореплавании: если два судна подойдут достаточно близко борт к борту, то между ними море начинает волноваться слабее, и давление волн с внешних сторон кораблей начинает прибивать их друг к другу. Квантовый эффект Казимира вносит существенный вклад в эффекты, происходящие в малом объеме, в частности, он должен учитываться при расчете энергии ядер. Эффект Казимира также оказывает влияние на физику коллоидных растворов. Эффект Казимира интересен и с точки зрения моделей с гравитацией, поскольку вакуум между пластинами обладает локально отрицательной плотностью энергии флуктуаций, а значит, может, по идее, создавать антигравитационный эффект. По этой причине казимировский вакуум относят к так называемой экзотической материи. Такая материя необходима, например, для стабилизации кротовых нор (тоннелей в пространстве-времени), поэтому в теории таких образований эффект Казимира занимает важное место. В казимировском вакууме также предсказывается сверхсветовое распространение электромагнитных волн (так называемый эффект Шарнхорста). Однако этот эффект очень мал и поэтому пока не наблюдался в эксперименте.

Первые экспериментальные оценки по эффекту Казимира, обладавшие точностью порядка , были получены через 10 лет после появления его гипотезы. В частности, первый эксперимент с параллельными пластинами поставил в 1958 году Маркус Спаарней. Он использовал конденсатор, составленный из двух параллельных пластин, верхняя из которых была подвешена на пружине. При подведении к конденсатору напряжения на его пластинах наводится заряд , и пружина растягивается, пока сила Казимира, сила электростатического притяжения, сила тяжести и сила ньютоновского притяжения между пластинками (да, ее тоже надо учитывать!) не уравновесят силу упругости со стороны растянутой пружины. Соответствующее уравнение для точки равновесия имеет вид:

где электрическое поле между пластинами ,  — площадь пластин, — расстояние между ними,  — масса верхней пластины,  — масса нижней пластины,  — коэффициент жесткости пружины,   степень ее растяжения. Измеряя заряд конденсатора с помощью гальванометра, можно обнаружить его нетривиальную зависимость от , из которой вычисляется сила Казимира.

Первое прецезионное измерение эффекта Казимира было проведено в 1997 году Стивом Ламоро с использованием крутильного маятника. Измерялось взаимное притяжение пластины и сферы — и результаты согласовывались с теорией в пределах пяти процентов.

Современные эксперименты измеряют эффект с точностью порядка процента и используют различные геометрические конфигурации: параллельные пластины, пластина и сфера, две сферы и др. Популярным является метод резонансного измерения силы Казимира, в котором измеряется резонансная частота колебаний обкладки конденсатора при подаче на него переменного напряжения.

<<К предыдущему эксперименту  |  Квантовая теория  |  К следующему эксперименту>>