Կազիմիրի էֆեկտ

Կազիմիր ուժերը զուգահեռ թիթեղների վրա

Կազիմիր ուժերը զուգահեռ թիթեղների վրա

Կազիմիրի էֆեկտը վակուումում քվանտային ֆլուկտուացիաների ազդեցության տակ չլիցքավորված հաղորդիչ մարմինների փոխադարձ ձգողության երևույթն է: Հաճախ խոսքը գնում է մոտիկ տեղավորված երկու զուգահեռ չլիցքավորված հայելային մակերևույթների մասին, սակայն Կազիմիրի էֆեկտը նկատվում է նաև ավելի բարդ երկրաչափությունների դեպքում: Կազիմիրի էֆեկտի պատճառը ֆիզկական վակուումի էներգիական տատանումներն են, որոնք տեղի են ունենում վակուումում վիրտուալ մասնիկների մշտապես առաջացման և ոչնչացման հետևանքով: Երևույթը 1948թ. կանխատեսել է հոլանդացի ֆիզիկոս Հենդրիկ Կազիմիրը: Ավելի ուշ այն հաստատվեց փորձնականորեն:

Էֆեկտի էությունը

Դաշտի քվանտային տեսության համաձայն` ֆիզիկական վակուումը բացարձակ դատարկություն չէ: Նրանում մշտապես առաջանում և ոչնչանում են վիրտուալ մասնիկների և հակամասնիկների զույգեր` տեղի են ունենում այդ մասնիկների հետ կապված դաշտերի մշտական տատանումներ (ֆլուկտուացիաներ): Մասնավորապես, տեղի են ունենում ֆոտոնի հետ կապված էլեկտրամագնիսական դաշտի տատանումներ: Վակուումում առաջանում և ոչնչանում են էլեկտրամագնիսական սպեկտրի ալիքի բոլոր երկարություններին համապատասխանող վիրտուալ ֆոտոններ: Սակայն իրադրությունը փոխվում է մոտ տեղադրված հայելային մակերևույթների միջև ընկած տարածությունում: Որոշակի ռեզոնանսային երկարությունների վրա (ամբողջ կամ կիսաամբողջ թվով բազմապատիկ մակերևույթների միջև եղած հեռավորությանը) էլեկտրամագնիսական ալիքները ուժեղանում են: Մյուս բոլոր երկարությունների վրա (որոնք ավելի շատ են), տեղի է ունենում հակառակը, այսինքն` ճնշվում է համապատասխան վիրտուալ ֆոտոնների առաջացումը: Դա տեղի է ունենում այն պատճառով, որ թիթեղների միջև եղած տարածությունում կարող են գոյություն ունենալ միայն կանգուն ալիքներ, որոնց լայնույթը թիթեղների վրա հավասար է զրոյի: Արդյունքում վիրտուալ ֆոտոնների ճնշումը թիթեղների մակերևույթի վրա ներսից ավելի փոքր է, քան դրսից, որտեղ ֆոտոնների առաջացումը ոչնչով սահմանափակված չէ: Որքան մոտ են մակերույթները միմյանց, այնքան ավելի քիչ թվով ալիքի երկարություններ են ռեզոնանսի մեջ մտնում և ավելի մեծ թվով ալիքի երկարություններ են ճնշվում: Վակուումի նման վիճակը գրականության մեջ հաճախ կոչվում է Կազիմիրի վակուում: Որպես հետևանք, ձգողության ուժը մակերևույթների միջև աճում է: Այս երևույթը պատկերավոր կերպով կարելի է նկարագրել որպես “բացասական ճնշում”, երբ վակուումը զրկված է ոչ միայն սովորական, այլև վիրտուալ մասնիկների մի մասից, այսինքն` «դուրս է մղված ամեն ինչ և մի բան էլ ավելին»:

Համանմանություններ

Կազիմիրի էֆեկտին համանման երևույթ XVIII դարում դիտել են ֆրանսիացի ծովայինները: Երբ ուժեղ ալեկոծության, սակայն թույլ քամու պայմաններում տարուբերվող երկու նավեր հայտնվել են մոտ 40 մետրից պակաս հեռավորության վրա, ալիքների ինտերֆերենցի արդյունքում նավերի միջև ընկած տարածությունում ալեկոծությունը դադարել է: Հանդարտ ծովը նավերի միջև ստեղծել է ավելի փոքր ճնշում, քան արտաքին կողմերից ալեկոծվողը: 1800-ական թթ. ծովագնացության ձեռնարկներում նման դեպքերի համար խորհուրդ էր տրվում 10-20 ծովայիններ ուղարկել երկու կողմերից` նավերը հետ հրելու համար: Երևույթը նաև հիշեցնում է Լեսաժի ձգողականության տեսությունը, երբ մարմինները իրար են բախվում հիպոթետիկ մասնիկների ճնշման տակ:

Կազիմիրի ուժի մեծությունը

Բացարձակ վակուումում գտնվող երկու զուգահեռ իդեալական հայելային մակերևույթների միավոր մակերեսի վրա ազդող ձգողության ուժը

$~{F_c \over A} = {\hbar c \pi^2 \over 240 d^4}$

է, որտեղ

$~\hbar$-ը Պլանկի հաստատունն է,

$~c$-ը` լույսի արագությունը վակուումում,

$~d$-ը` հեռավորությունը մակերևույթների միջև:

Այստեղից երևում է, որ Կազիմիրի ու ժը խիստ փոքր է: Հեռավորությունը, որի դեպքում արդեն ինչ-որ չափով սկսում է նկատելի դառնալ Կազիմիրի ուժը, մի քանի միկրոնների կարգի է: Սակայն, հակադարձ համեմատական լինելով հեռավորության չորրորդ աստիճանին, այն շատ արագ աճում է հեռավորության նվազմանը զուգընթաց: Ատոմի չափերի հարյուրապատիկ` 10 նմ կարգի հեռավորության վրա Կազիմիրի էֆեկտի հետևանքով առաջացած ճնշումը համեմատելի է մթնոլորտային ճնշման հետ: Ավելի բարդ երկրաչափության դեպքում (օրինակ` գնդի և հարթության կամ ավելի բարդ օբյեկտների փոխազդեցության ժամանակ) փոխվում է գործակցի նշանը և թվային արժեքը , ուստի Կազիմիրի ուժը կարող է լինել ինչպես ձգողական, այնպես էլ` վանողական: Չնայած Կազիմիրի ուժի բանաձևում բացակայում է էլեկտրամագնիսական փոխազդեցության հիմնական բնութագրիչ նուրբ կառուցվածքի հաստատունը`$~\alpha$-ն, այս երևույթը, այնուհանդերձ, էլեկտրամագնիսական ծագում ունի: Ինչպես ցույց է տրված` թիթեղների վերջավոր հաղորդականությունը հաշվի առնելու դեպքում ի հայտ է գալիս կախում $~\alpha$-ից, իսկ ուժի ստանդարտ արտահայտությունը $\alpha \gg mc / 4\pi \hbar n d^4$ սահմանային դեպքի համար է, որտեղ $n$-ը էլեկտրոնների խտությունն է թիթեղում:

Բացահայտման պատմությունը

Հենդրիկ Կազիմիրը աշխատում էր Հոլանդիայի Philips Research Laboratories-ում, որտեղ ուսումնասիրում էր կոլոիդային լուծույթները` մածուցիկ նյութեր, որոնց կազմության մեջ առկա են միկրոնային չափերի մասնիկներ: Նրա կոլեգաներից մեկը` Թեո Օվերբեքը (Theo Overbeek), նկատեց, որ կոլոիդային լուծույթների վարքը ամբողջությամբ չի համաձայնեցվում գոյություն ունեցող տեսության հետ, և Կազիմիրին խնդրեց հետազոտել այդ խնդիրը: Շուտով Կազիմիրը եկավ այն եզրակացության, որ տեսությամբ կանխորոշված վարքից առկա շեղումները կարելի է բացատրել` հաշվի առնելով վակուումի ֆլուկտուացիաների ազդեցությունը միջմոլեկուլային փոխազդեցությունների վրա: Դա նրան մղեց հարց բարձրացնել, թե ինչ ազդեցություն կարող են ունենալ վակուումի ֆլուկտուացիաները երկու զուգահեռ հայելային մակերևույթների վրա, և ի վերջո եկավ հանրահայտ կանխատեսման, որ մակերևույթների միջև գոյություն ունի ձգողական ուժ:

Փորձարարական հայտնաբերումը

Երբ 1948 թ. Կազիմիրը հայտնեց իր կանխատեսումները, գոյություն ունեցող տեխնոլոգիաների անկատարությունը և էֆեկտի խիստ թույլ լինելը դրա փորձարարական ստուգումը ծայրահեղ բարդ խնդիր դարձրեցին: Առաջին փորձերից մեկը 1958 թ. անցկացրեց Մարկուս Սպաարնին (Marcus Spaarnay) Էյնդհովենում գտնվող Philips կենտրոնում: Սպաարնին եկավ այն եզրակացության, որ իր ստացած արդյուքները «չեն հակասում Կազիմիրի տեսական կանխատեսումներին»: 1997 թ. մի շարք ավելի նուրբ փորձեր կազմակերպվեցին , որոնցում ավելի քան 99% համաձայնություն հաստատվեց տեսության և դիտարկվող արդյունքների միջև:

2011 թ. Չալմերսի տեխնիկական համալսարանի մի խումբ գիտնականներ հաստատեցին Կազիմիրի դինամիկ էֆեկտը: Գերհաղորդիչ քվանտային ինտերֆերաչափի օգնությամբ անցկացված գիտափորձում գիտնականները ստացան հայելու նմանակ, որը մագնիսական դաշտի ազդեցությամբ տատանվում էր լույսի արագության 5%-ի արագությամբ: Դա բավարար էր Կազիմիրի դինամիկ էֆեկտ դիտարկելու համար. Գերհաղորդիչ քվանտային ինտերֆերաչափը ճառագայթում էր միկրոալիքային ֆոտոնների հոսք, որոնց հաճախությունը հավասար էր «հայելիների» տատանման հաճախության կեսին: Հենց նման երևույթ էր կանխատեսել քվանտային տեսությունը : Սպասվում է գիտնականների այլ խմբի գիտափորձ:

Կազիմիրի էֆեկտի ժամանակակից ուսումնասիրությունները

• Կազիմիրի էֆեկտը դիէլեկտրիկների համար
• Կազիմիրի էֆեկտը զրոյից տարբեր ջերմաստիճաններում
• Կազիմիրի էֆեկտի և ֆիզիկայի այլ էֆեկտների կամ բաժինների կապը (երկրաչափական օպտիկայի, ապակոհորենցիայի և պոլիմերների ֆիզիկայի կապը)
• Կազիմիրի դինամիկ էֆեկտը
• Կազիմիրի էֆեկտը բարձր զգայնությամբ սարքեր ստեղծելիս:

Գրականություն

• В. М. Мостепаненко, Н. Н. Трунов. Эффект Казимира и его приложения. УФН, 1988, т. 156, вып. 3, с. 385—426.
• А. А. Гриб, С. Г. Мамаев, В. М. Мостепаненко. Вакуумные квантовые эффекты в сильных полях. М.: Энергоатомиздат, 1988.