ефект Казимира

У цьому розділі не вистачає посилань на джерела інформації.

Згідно квантової теорії поля. фізичний вакуум являє собою не абсолютну порожнечу. У ньому постійно народжуються і зникають пари віртуальних частинок і античастинок - відбуваються постійні коливання (флуктуації) пов'язаних з цими частками полів. Зокрема, відбуваються коливання пов'язаного з фотонами електромагнітного поля. У вакуумі народжуються і зникають віртуальні фотони, які відповідають усім довжинах хвиль електромагнітного спектру. Однак в просторі між близько розташованими дзеркальними поверхнями ситуація змінюється. На певних резонансних довжинах (ціле або напівціле число раз укладаються між поверхнями), електромагнітні хвилі посилюються. На всіх інших же довжинах, яких більше, навпаки, пригнічуються (тобто, пригнічується народження відповідних віртуальних фотонів). Відбувається це внаслідок того, що в просторі між пластинами можуть існувати тільки стоячі хвилі, амплітуда яких на пластинах дорівнює нулю. В результаті, тиск віртуальних фотонів зсередини на дві поверхні виявляється менше, ніж тиск на них ззовні. де народження фотонів нічим не обмежена. Чим ближче один до одного поверхні, тим менше довжин хвиль між ними виявляється в резонансі і більше - виявляється пригніченими. Такий стан вакууму в літературі іноді називається вакуумом Казимира. Як наслідок, зростає сила тяжіння між поверхнями.

Явище можна образно описати як «негативний тиск», коли вакуум позбавлений не тільки звичайних, але і частини віртуальних частинок, тобто «відкачали все і ще чуть-чуть". З цим явищем пов'язаний також дискусійний ефект Шарнхорста.

Явище, схоже з ефектом Казимира, спостерігалося ще в XVIII столітті французькими моряками. Коли два корабля. розгойдуються з боку в бік в умовах сильного хвилювання. але слабкий вітер. виявлялися на відстані менше приблизно 40 метрів, то в результаті інтерференції хвиль в просторі між кораблями припинялося хвилювання. Спокійне море між кораблями створювало менший тиск, ніж хвилюється з зовнішніх бортів кораблів. В результаті виникала сила, яка прагне зіштовхнути кораблі бортами. Як контрзахід, керівництво з мореплавання початку 1800-х років рекомендувало обом кораблям послати по шлюпці з 10-20 моряками, щоб розштовхувати кораблі. За рахунок такого ефекту сьогодні в океані утворюються сміттєві острови.

Також ефект нагадує кінетичну теорію гравітації Лесажа. яка полягає в зіткненні тіл один з одним під тиском деяких гіпотетичних частинок.

Величина сили Казимира

Сила тяжіння, що діє на одиницю площі F c / A / A> для двох паралельних ідеальних дзеркальних поверхонь, що знаходяться в абсолютному вакуумі, становить

Звідси видно, що сила Казимира вкрай мала. Відстань, на якому вона починає бути більш-менш помітної, становить близько кількох мікрометрів. Однак, будучи обернено пропорційній 4-го ступеня відстані, вона дуже швидко зростає зі зменшенням останнього. На відстанях порядку 10 нм - сотні розмірів типового атома - тиск, що створюється ефект Казимира, виявляється порівнянним з атмосферним.

У разі більш складної геометрії (наприклад, взаємодії сфери і площини або взаємодія більш складних об'єктів) чисельне значення і знак коефіцієнта змінюється [1]. таким чином сила Казимира може бути як силою тяжіння, так і силою відштовхування.

Незважаючи на те, що у формулі для сили Казимира відсутня постійна тонкої структури α - основна характеристика електромагнітної взаємодії, - цей ефект, проте, має електромагнітне походження. Як показано в замітці [2]. при обліку кінцевої провідності пластин з'являється залежність від α. а стандартне вираз для сили з'являється в граничному випадку α »m c / 4 π ℏ n d 4>. де n - щільність електронів в платівці.

Хендрік Казимир працював в Philips Research Laboratories в Нідерландах, займаючись вивченням колоїдних розчинів - в'язких речовин, що мають в своєму складі частинки мікронних розмірів. Один з його колег, Тео Овербек (Theo Overbeek), виявив, що поведінка колоїдних розчинів не цілком узгоджується з існуючою теорією і попросив Казимира досліджувати цю проблему. Незабаром Казимир прийшов до висновку, що відхилення від пророкує теорією поведінки може бути пояснено, якщо враховувати вплив флуктуацій вакууму на міжмолекулярні взаємодії. Це і наштовхнуло його на питання, який вплив можуть надати флуктуації вакууму на дві паралельні дзеркальні поверхні, і призвело до знаменитого передбачення про існування між останніми притягає сили.

Сучасні дослідження ефекту Казимира

ефект Казимира для діелектриків
ефект Казимира при ненульовий температурі
зв'язок ефекту Казимира і інших ефектів або розділів фізики (зв'язок з геометричною оптикою. декогеренції. полімерної фізикою)
динамічний ефект Казимира
облік ефекту Казимира при розробці високочутливих МЕМС -устройств.

Ефект Казимира в літературі

Досить докладно ефект Казимира описується в науково-фантастичної книзі Артура Кларка «Світло інших днів [en]», де він використовується для створення двох парних червоточини в просторі-часі, і передачі через них інформації.

Мостепаненко В. М. Трунов Н. Н .. Ефект Казимира і його додатки. УФН. 1988, т. 156, вип. 3, с. 385-426.
Гриб А. А. Мамаєв С. Г. Мостепаненко В. М .. Вакуумні квантові ефекти в сильних полях. - М. Вища школа, 1988.