Энергия вакуума

В 1948 году Хендрик Казимир  вместе со своим коллегой датским физиком Дирком Полдером пытались понять природу существования столкновений в стабильном равновесии. Столкновение — это по сути смесь, когда одно вещество растворяется в другой, как жировые капли в молоке. Силы межмолекулярного взаимодействия в такой среде с расстоянием падают быстрее, чем предполагается расчетам с использованием классической электромагнитной Ван-дер-ваальсовой силы. Это происходит, когда что-то взимает эти молекулы вместе, делая смесь более стабильной.

Следуя одному из квантовых основоположников — датском ученому Нильсу Бору, Казимир посчитал, что этим что-то может быть влияние вакуума. Создать эффекты квантовых колебаний в столкновениях молекул было невозможно, поэтому Казимир обратился к простой модельной системы двух параллельных металлических пластин и показал, что флуктуации вакуума могут создать растущее притяжение этих пластин друг к другу. Объяснением было то, что в пространстве между двумя пластинами ограничивается длина волны вакуумных колебаний. За пределами этих пластин колебания могут иметь любую длину. Когда за пределами волны больше, чем внутри, давление начинает толкать пластины друг к другу.

Однако этот эффект очень незначителен: две плоскости на расстоянии 10 нм чувствуют силу, подобную давлению атмосферного воздуха на нашу ладонь. Такие мини масштабные взаимодействия легко разрушаются массой других эффектов, таких как остаточное электростатическое притяжение между зарядами на поверхности плоскостей. Тому подтверждение существования такого эффекта достаточно ограничено. «Нужно знать, что вы точно измеряете силу Казимира, а не чего-то другого», говорит Хон Тан из Йельского университета. Также нелегко идеально расположить плоскости параллельно друг другу, а предвидение такого эффекта для других, более сложных геометрических форм требует более сложных математических расчетов. (Только в 1996 году физик Стивен Ламор по сути совершил прорыв в этом направлении. Следуя особой тщательности, для исключения любых других эффектов, он получил небольшую остаточную силу, притягивая металлическую плоскость к сферическим линзам. Так был реально показано влияние вакуума).

С тех пор стали появляются другие сообщения, подтверждающие давние прогнозы физиков. Советский физик Евгений Лифшиц в 1955 году высказал мнение, что размер вакуумных колебаний растет с повышением температуры, а сила на выходе будет расти на большее расстояние. В феврале 2011 года Ламор вместе с коллегами подтвердили его высказывания.

Как и в работе ученых во главе с Уилсоном, их результаты (опубликованы в ноябре прошлого года) подтверждали надежду 40-летней давности, которые полностью перевернули логику происхождения эффекта Казимира. Если не использовать возникающие в вакууме частицы для изменения их окружения, довольно быстро перемещая пластины можно действительно создать фотоны света. В некоторых кругах такую идея не воспринимают — однако на сегодня это наиболее драматическая демонстрация предусмотренного вакуумного воздействия.

С ростом наблюдений за такими эффектами, кажется, настало время, чтобы мы могли использовать их в наших приборах. Популярное выражение, что вакуумную энергию можно использовать для толкания наномашин. Но это уже немного другое от первоначального происхождения силы Казимира, когда компоненты растягивающиеся (отталкиваются) — в нашем случае, это может быть машина — явление, имеющее отношение к трению покоя или « stiction ».

Применяя различные хитрости с манипулированием геометрии объектов, свойств веществ, перевернуть направление действия эффекта Казимира в принципе возможно — и два объекта разойдутся. В 2008 году Стивен Джонсон вместе с коллегами из МТИ посчитали, что добавив серию металлических брекетов (как молния) внутри двух металлических плоскостей можно получить отталкивающую равнодействующую силу между ними. В более недавнем исследовании Станислав Масловский и Марио Сильвейрин из Университета Коимбра (Португалия) зафиксировали похожий эффект, используя наномасштабные металлические стержни для создания области отталкивающей силы, которая может поднимать металлический стержень.

Такие силы могут помогать наномасштабным копонентам, например переключателям, шестерням, подшипникам или другим частям наномоторов работать без помех. Однако ввести такие устройства в практику будет нелегко. Для начала нужны компоненты, отполированные на наномасштабе: если посмотреть при достаточно малом масштабе (например, тысяча атомов) на поверхность металла, которая обычно выглядит как гладкая, она имеет неровности, а такие кристаллообразным структуры по-разному ограничивают колебания вакуума, препятствуя эффекту Казимира. Для объектов, движущихся это выглядит еще сложнее.

Однако все решается: в 2009 году Федерико Капассо вместе с коллегами из Гарвардского университета измерили похожую на отталкивающую силу Казимира с помощью золотого наконечника над кремниевой поверхностью в растворе бромбензол. Образующиеся силы были более десятков пиконьютонов, а по отношению к нанообъектов стольких пиконьютонов уже достаточно. Однако на пути, когда устройства на основе эффекта Казимира войдут в нашу повседневную жизнь, все еще существует много препятствий, говорит Джонсон. «Этот вопрос эксперимента — можно создать небольшие чувствительные устройства?». А также существует чисто теоретический вопрос, сможем ли мы с пользой использовать силу Казимира, как только достигнем экспериментальных возможностей.

Теоретические проныры постепенно были воплощены в экспериментальную реальность, а вакуумные флуктуации стали реальностью, и стали ответственными за то, что мы называем эффектом Казимира. Однако не все физики с этим согласны. Их беспокойство связано с расчетами Казимира и Полдера, еще до того, как они предложили объяснить ослабленную Ван-дер-ваальсовую силу вакуумными флуктуациями. Ими показано, что похоже ослабление можно получить если просто учесть конечное время, которое требуется, чтобы сила была перенесена на достаточно большое расстояние, например между двумя плоскостями, обособленными десятками или сотнями нанометров. На это объяснение достаточно активно отмечал в 1970-х годах нобелевский лауреат, физик Джулиан Швингера. Он никогда не верил в вакуумные колебания и разработал свою версию теории квантовых полей, которую он назвал теорией источников. С позиции этой теории — эффект Казимира возникал, если учитывать квантовое взаимодействие заряженной материи, без воздействия вакуума.

Роберт Джаффе — физик-теоретик МИТ, предложил, что единственной причиной, почему появилось вакуумное объяснения, те математические расчеты были довольно упрощены. «Когда обращаются к эффекту Казимира как свидетельство существования вакуумных колебаний, это очень легкомысленно. И нет свидетельства, что вакуумные колебания существуют при отсутствии материи », говорит он. Другие эффекты — Лэмб сдвиг и спонтанное излучение атомами фотонов тоже можно описать лишь как результат взаимодействия зарядов. Если так, это может иметь отзывы при наших попытках усовершенствовать работу наномашин.

Явление, которое приписывается темной энергии, а именно ускоренное расширение космоса, вызвало новый интерес к энергии вакуума. На сегодня мы имеем расчеты, скрытая в вакууме энергия на 120 порядков больше числа, необходимое для ускорения космоса.

Расчеты Швиринга были частью более широких попыток (однако безуспешных) вытеснить вакуумные колебания по теории квантового поля. Философы науки Свен Руг и Генрик Зинкернагель писали в 2001 году «кажется невозможно решить, эффект от вакуума в результуте сам в себе … или образуется при применении измерений».

Уилсон надеется, что если его фотоны подтвердятся другими учеными, это окончательно подтвердит существование вакуумных колебаний. В 1970 году американский физик Геральд Мур предложил перевернуть логику эффекта Казимира. Он предположил ускоренные зеркала, сжимающие вакуумные колебания в пространстве настолько сильно, что может выделиться часть энергии в форме фотонов. На практике невозможно ускорить даже небольшое макроскопическое зеркало настолько, чтобы создать динамический эффект Казимира. Однако в прошлом году Крис Уилсон вместе с коллегами из МИТ использовали быстрый переменный электрический ток для стимулирования эффекта зеркал, ускорив их почти до четверти скорости света. В результате одновременно с вакуумом возникали пары фотонов, как и предсказывал Мур.

Уилсон говорит, что для этого может быть несколько интересных приложений. Когда мы живем в эпоху инфляции (расширение Вселенной, считается возникла сразу после большого взрыва), границы нашей Вселенной должны расширяться с примерно той скоростью, что и скорость света, приводя к появлению фотонов из-за эффекта Казимира. Однако повторить это в эксперименте в лаборатории трудно.

Один из физиков, который не захотел называться, говорит, что если действительно ничто в эксперименте не перемещается, то это вообще не демонстрирует динамический эффект Казимира. «Это еще раз показывает« реальный и интересный »пример хорошо известного эффекта», говорит он, «когда определенное количество квантовой энергии электрической схемы излучается в виде света». Математическое описание двух эффектов достаточно прост, говорит он.

29.04.2015

Поделиться в соц. сетях

Опубликовать в Google Buzz
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники

Добавить комментарий