Ефект Казимира і гравітація

ВІСТІ З ИНСТИТУТОВ, ЛАБОРАТОРІЙ, ЕКСПЕДИЦІЙ

Під такою інтригуючою заголовком була поміщена інформація в Інтернеті про недавньому експерименті, проведеному в Каліфорнійському університеті групою фізиків під керівництвом Умара Мохідіна.

Мова йде про вимірювання так званої сили Казимира - сили взаємодії між дуже близькими матеріальними об'єктами, дивним чином виникає у вакуумі. Вакуум - це і є те саме "ніщо", з якого виникає цілком вимірне "щось".

У резонаторі, утвореному двома паралельними пластинами, можуть існувати тільки хвилі, інтенсивність яких на стінках резонатора дорівнює нулю. Це означає, що на довжині резонатора має укладатися ціле число півхвиль.

Довгий час вакуум був синонімом повної порожнечі, простору, в якому нічого не відбувається і відбуватиметься не може, так як в ньому немає ні матеріальних частинок, ні енергії. Однак з розвитком квантової теорії поля (квантової електродинаміки) з'ясувалося, що вакуум можна розглядати як сцену, на якій розігруються якісь віртуальні, тобто "неспостережувані", процеси. З'явився термін "фізичний вакуум", під яким розуміють осередок віртуальних частинок, безперервно народжуються на короткі миті і тут же зникають. Відповідно до сучасних уявлень, вони народжуються пaрамі "частка - античастинка" і зникають в результаті анігіляції. Так, віртуальна пара "електрон - позитрон" анігілює з утворенням віртуального фотона, який знову перетворюється в електрон-позитронну пару і т. Д. Народження і знищення віртуальних частинок і є квантові флуктуації. Оскільки будь-які флуктуації - це коливання навколо деякого середнього значення, фізичний вакуум розглядається як квантова система в стані з мінімальною енергією, в середньому дорівнює нулю. Тому квантові флуктуації вакууму часто називають нульовими коливаннями електромагнітного поля.

Таким чином, вакуум виявляється не "порожнім", а заповненим віртуальними частинками, які не піддаються реєстрації, але за певних умов стають реальними - наприклад, при накладенні зовнішнього поля великої енергії. Крім того, вони можуть впливати на внесені в вакуум реальні частки і поля. Одним з таких дій і є ефект Казимира, суть якого, спрощено кажучи, зводиться до наступного.

Згідно з квантовою механікою, в мікросвіті кожна частка виявляє і хвильові властивості. Це поширюється і на віртуальні частинки, причому нульовим коливань вакууму відповідають різні довжини хвиль. При ефекті Казимира дві паралельні пластинки можна розглядати як резонатор, в якому існують тільки ті хвилі, для яких виконується умова резонансу: на відстані L між пластинками укладається ціле число n полуволн. Максимально можлива довжина хвилі буде при n = 1 в просторі між пластинками не можуть народжуватися віртуальні фотони з довжинами хвиль, що перевищують 2-L. Тому щільність енергії нульових коливань в зазорі між пластинками менше, ніж зовні, що і обумовлює тяжіння пластинок.

Доктор технічних наук А. Голубєв.

Однак, в такому дорогому і складному експерименті навіть не було необхідності. Давно існують інші ефекти у фізиці (наприклад, так званий Лембовскій зрушення і зміна магнітного моменту електрона) які однозначно вказують на існування флуктуації в вакуумі.

Про гравітації.
У таких експериментах присутність вакууму безсумнівно, але при цьому значення його енергії вислизає від вимірювання. Останнє пов'язано з тим важливою обставиною, що у всіх - крім гравітації! - фізичних взаємодіях проявляється тільки різниця енергій фізичної системи в різні моменти часу і / або в різних точках простору, але не величина енергії в даному стані фізичної системи. Лише гравітація "відчуває" саму енергію, а не її різниці. Грандіозним інструментом, природною експериментальною установкою для відкриття фізичного вакууму послужила весь Всесвіт, в якій вакуум виявився домінуючим по енергії і по створюваної нею гравітації.

Розглядаючи гравітаційна взаємодія не як фундаментальне взаємодія, а як результат флуктуацій поля, процес можна уявити так: під дією маси тіла в навколишньому просторі (в вакуумі) зменшується щільність енергії нульових коливань поля і виникає різниця тиску, в результаті відбувається притягання тіл, тобто . з боку тіла амплітуда флуктуацій менше.

Амплітуда флуктуацій в різних областях польового простору може бути різною. Чим вище "температура" вакуумної (польовий) середовища, тим більше амплітуда флуктуацій. Речовина як диссипативная среда, перетворюючи енергію флуктуацій в різні стійкі порушені стану поля, "охолоджує" вакуум, тобто гравітація пов'язана з "тепловим викривленням" польового простору. "Охолодження" вакууму представляє від'ємне значення щільності енергії польового простору (гравітаційного потоку):

(Формула для кулі, при r більшому, ніж його радіус), де g - гравітаційна постійна, M - маса кулі, r - відстань від центру кулі. Наприклад, на поверхні Землі в кожному кубічному метрі простору величина польової енергії має від'ємне значення 5.7 • 1010 Дж, що, згідно із співвідношенням W = Mc2, відповідає 6.4 · 10-7 кг, для порівняння - таку ж величину гравітаційної енергії зв'язку на поверхні Землі має тіло масою 920 кг.

Напруженість гравітаційного поля нерухомої матеріальної точки масою M, що знаходиться на початку координат, дорівнює G = -gM / r2.
Відповідно, гравітаційний потік:

де S - площа. Щільність енергії гравітаційного потоку:

Знак мінус у формулі пов'язаний з негативним значенням гравітаційної енергії і означає те, що гравітаційні потоки (лінії гравітаційної індукції) завжди починаються в польовому просторі (фізичному вакуумі) і мають напрямок в сторону маси.

Гравітаційний потік напруженості поля володіє енергією, наприклад, енергія гравітаційного поля (потоку) кулі:

Де M - маса кулі, R - радіус кулі, - чим більше маса, тим менше енергія поля. Наприклад, гравітаційне поле Землі має негативну енергію 2.2 · тисячі тридцять два Дж, що, згідно із співвідношенням W = Mc2, відповідає 2.5 · 1015 кг, для порівняння - маса Землі 5.98 · 1024 кг. Якщо ж радіус кулі дорівнює гравітаційного радіусу R = 2gM / c2, то маса негативної енергії гравітаційного поля дорівнює Mполя = -0.3M, тобто становить майже одну третину від маси кулі. Подальше стиснення або збільшення маси кулі призведе до того, що маса кулі по абсолютній величині зрівняється з масою гравітаційного поля і їх сумарна маса (енергія) буде дорівнює нулю.

Таким чином, маса тіла, забираючи на себе енергію вакуумних флуктуацій, створює в навколишньому польовому просторі негативну щільність енергії поля. Тобто гравітаційний потік - це рухомий в сторону маси потік енергії флуктуаційполя, який в речовині перетворюється в різні стійкі порушені стану поля. Чим ближче до маси, тим менше щільність внутрішньої енергії поля і тим менше амплітуда флуктуацій, що створює різницю тиску у вигляді гравітаційної сили. Тільки представляючи гравітаційна взаємодія як результат вакуумних флуктуацій, можна дати логічно несуперечливе пояснення, чому гравітаційна енергія поля має від'ємне значення. Щоб зменшити енергію гравітаційного потоку (по абсолютній величині), необхідно затратити енергію.

Треба зауважити, що зміна "температури" вакуумної (польовий) середовища - це також зміна її діелектричної та магнітної проникності, наприклад, поблизу маси вони збільшуються, так як швидкість поширення електромагнітних хвиль зменшується e0m0 = 1 / c2. Зміна електричних і магнітних властивостей відбувається при зміні щільності середовища.