Science Network Casimir hatás
A vonzóerő két felület közötti légüres térben, először megjósolta Genrihom Kazimirom (Hendrik Casimir) több mint 50 évvel ezelőtt, hatással lehet szinte mindent - a Microdevices elméletek a világegyetem.
Mi történik, ha veszel két tükör és telepíti őket tükrözi a felek egymással az üres térben. Igen, semmi sem fog történni, amit mondasz. A tükör ténylegesen vonzzák egymást annak a ténynek köszönhető, hogy van egy vákuum közöttük. Ezt a jelenséget először megjósolta a német elméleti fizikus Genrihom Kazimirom 1948 amikor dolgozott a Philips Research Laboratories Eindhovenben, a kutatóközpont (Eindhoven) kolloid oldatok (lásd. 1. keretes írást). Ezt a jelenséget nevezik Casimir hatás, valamint az erő keletkezik a tükör - a Casimir erő.
Sok éven át a Casimir hatás nem volt sokkal több, mint egy érdekes elmélet. De az érdeklődés ebben a jelenségben nőtt az elmúlt években. Kísérleti fizikus azt találták, hogy a Casimir erő hat a mikroszkopikus mechanizmusok és fejlődése műszaki berendezések lehetővé tette, hogy az intézkedés ez az erő lényegesen nagyobb pontossággal.
Érdekes, hogy ez a hatás a szempontból alapvető fizika. Sok elmélet megjósolni a létezését „extenzív” extra méretek 10 és 11 dimenziós elmélet. Ezen elméletek szerint, be kell tartanunk az eltérést a klasszikus newtoni gravitációt szub-milliméteres távolságokra. A méréseket a Casimir hatás így segíteni tudja ellenőrizni ezeket a hipotéziseket.
Kazimierz és a kolloid oldatok
Az egyik Kázmér kollégák, Theo Overbeek (Theo Overbeek) azt találta, hogy az elmélet megmagyarázni Van der Waals erők által kifejlesztett Fritz London (Fritz London) 1932-ben, nem megfelelő magyarázatot a kísérleti adatokkal. Ezután Overbeek kérte Kázmér, hogy vizsgálja meg a problémát. Együtt dolgozva Dirk Polder (Dirk Polder), Casimir felfedezték, hogy a kölcsönhatás a két semleges molekulák nem lehet megfelelően leírt csak az alapján az állandó fénysebesség.
Hamarosan Casimir észre, hogy ez az eredmény lehet leírni, ha figyelembe vesszük az ingadozások a vákuumot. Azon tűnődött, mi történne, ha ahelyett, hogy a két molekula lenne két tükör szögletes otrazhayushimi fél együtt. Ez a kérdés oda vezetett, hogy a híres előrejelzése prityagvayuschey erő között fennálló fényvisszaverő lemez.
Mi a Casimir erő?
Bár a Casimir erő úgy tűnik, teljesen természetellenes, akkor érthető. A napokban a klasszikus mechanika egy ötlet vákuum egyszerű volt. Vákuumban értetődő „tartály” mindenféle részecskék, amelyek alacsony hőmérsékleten le abszolút nulla. Az Advent a kvantummechanika, véleményünk a vákuum megváltozott. Minden mező kitöltése - az elektromágneses, elsősorban - ingadozhat. Más szóval, ha az értékük az egyes időpontokban nem egyenlő egy állandó (átlagos érték), és a „kezdve” közelébe. Még egy „valódi” vákuum közelében abszolút nulla ismert úgynevezett „vákuum fluktuációk” egy átlagos energia felével egyenlő a fotonenergia (ez a helyzet az elektromágneses mező).
Úgy tűnhet, hogy a vákuum-ingadozás néhány absztrakció felmerült a megbetegedett agy fizika, de ez nem az. A megfigyelhető megnyilvánulások is megfigyelhető kísérletileg egy mikrokozmosz. Például az atom nem marad a végtelenségig gerjesztett állapotban van, és megy a földbe, spontán bocsátanak ki egy foton. Ez a jelenség - az eredmény a vákuum-ingadozások. Próbálja tartani egy ceruza „felálló” a végén az ujját. Ő fog állni, de csak akkor, ha a kezed teljesen stabil és semmi sem zavarja az egyensúlyt egy ceruza. De a legcsekélyebb habozás fejest a ceruzát egy stabilabb egyensúlyi állapot. És az atom gerjesztett állapotban - az intézkedés alapján a vákuum-ingadozások, bemegy alapállapotba.
Casimir erő - a legismertebb megnyilvánulása mechanikus vákuum ingadozások. Tekintsük a különbség a két sík tükör, mint a lehetséges is (1. megjegyzés). Minden elektromágneses mezők egy jellegzetes spektrumot ISO sok különböző frekvenciákon. A szabad vákuumban minden frekvencián egyenlő. De egy potenciális is, ahol a mező tükrözi, „rezeg” között a tükrök, a helyzet eltér az esetben szabad vákuumot. Field fokozódik, ha a értéke fele hullámhosszak pontos „illeszkednek” a lyukba. Ezek hullámhosszak megfelelnek a „rezonancia a potenciális is.” A hullámhosszak, amelyek eltérnek a rezonancia, ezzel szemben elnyomja. vákuum-ingadozások vannak nyomva, vagy fokozott attól függően, hogy azok megfelelnek a rezonancia frekvencia, vagy sem.
Amikor beszélünk a Casimir erő, nem is beszélve a „nyomás a sugárzási tér.” Minden mező - még a vákuum - hordozza az energiát. Az elektromágneses mezők nem csak eloszlik a térben - ők is nyomást gyakorol a felszíni, valamint a víz nyomása a gát. A sugárzási nyomás növekszik a növekvő energia, és ezáltal a frekvencia az elektromágneses mező. sugárzási nyomás a sajátfrekvenciáira az üregben erősebb, mint a külső tükrök és taszítják. Túl rezonancia éppen ellenkezőleg - kisebb, mint a nyomás belül, mint kívül tükrök és vonzzák egymást. Mivel a taszítás lép fel a konkrét frekvenciák és a vonzás - minden más frekvencián, vonzza komponens még „erősebb” visszataszító. Meg kell jegyezni, hogy a két komponens - mind a vonzó és taszító - létezik egyszerre.
Tehát két ideális sík tükör parallelnyh köszönhetően Casimir hatás vonzódnak egymáshoz. Az erő, arányos a teljes terület a tükörbe, és fordítottan arányos a 4. hatalom közötti távolság tükör :. Ezen kívül a geometriai mennyiségeket az erő függ csak az alapvető állandók - a Planck-állandó és a fény sebessége.
Mivel a Casimir erő nagyon gyenge, akkor már csak, ha a tükrök vannak egymástól néhány mikron (inkább, mint néhány méter). Például, két tükör felületekkel távolság választja el egymástól az 1 mikronos, húzása erő Newton - a súlya vízcseppek fél milliméter átmérőjűek. Bár ez az erő úgy tűnik, kicsi, távolságon kevesebb mint egy mikron jelentősen növekszik, és hasonló a természeti erők. A távolságok a 10 nm - több száz atom jellemző mérete - a nyomás által generált Casimir hatás összemérhető a légköri nyomás.
Bár posvednevnoy élet és nincs ügyek ilyen kis távolságok, ezek fontosak a nanotechnológia és a mikro-elektromechanikus rendszerek (MEMS). Az „intelligens”, mikron méretű eszközök, amelyek mechanikai és vezetés tagjai, mint az apró szenzorok, mikromotor, vágott egy szilícium szubsztrát. Hozzá vannak szokva a tudomány és a technika, mint a nyomás mérők autók.
A mérést a Casimir-effektus
A Casimir hatás volt várható, mint már korábban említettük, 1948-ban, de nyitott kísérletképpen, a technológia az idő, nagyon nehéz volt. Az egyik első kísérletsorozatot hajtunk végre 1958-ban Marcus godu Spaarnay (Marcus Spaarnay) Philips Center Eindhoven, amelyben isledoval Casimir erő két sík fém tükör alumínium, króm vagy acélból. Spaarnay mért erő segítségével a mérleg rugók, a feszültség által meghatározott térben, a lemezek között. A Casimir erő még nem fogadták el az elektrosztatikus tükrök tartsa semleges. Spaarnay is biztosítják szigorú síkjával párhuzamos tükrök, mint a Casimir erő nagyon érzékeny a távolságot. Spaarnay leküzdeni ezeket a nehézségeket, és arra a következtetésre jutott, hogy az eredmények „nem mondanak ellent Kázmér elméleti előrejelzések.”
Ihlette Lamoreaux áttörés, sok más kutatók már elkezdték, hogy új kísérleteket kell mérni a hatását a Casimir erő. Például Umar Mohiden alkalmazottaival, a University of California, Riverside (Riverside), amely polisztirol gömb 200 mikron átmérőjű a hegyét egy atomi mikroszkóp (3. megjegyzés). Egy kísérletsorozatban hoztak hatálya alá tartozó, alumínium vagy arany, a parttól 0,1 mikron a lapos korong borított ilyen anyagokat. Az eredmény a vonzás közötti a gömb és a lemez nyilvánult meg a kilökődés a lézersugár. Az eltérés az eredmények a csoport az elméleti becslés nem haladja meg az 1%.
Edet Thomas (Thomas Ederth) a Royal Institute of Technology (Royal Institute of Technology), Stockholm, Svédország, szintén használják az atomi mikroszkóp, hogy tanulmányozza a Casimir-effektus. Ez mért erő előforduló a két henger között, bevont arany, 90 ° -kal elforgatva egymáshoz képest, és távolság választja el egymástól a 20 nanométer. Ő az eredmény összhangban van az elmélet jobb, mint 99% (lásd 4. megjegyzés).
Azonban nem sok kísérletet, hogy az intézkedés a Casimir erő, használjuk az eredeti konfiguráció síkok párhuzamos tükör. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy fenn kell tartani a párhuzamos a kísérlet során, ez nagyon nehéz. Lényegesen könnyebb, hogy a gömb elég közel van a tükör, mert a távolság a tárgy használt képlet erők ebben az esetben - a távolságot a legközelebbi pont. Az egyetlen hátránya, egy gömb és egy sík tükör, hogy a számítások a Casimir erő ebben az esetben nem olyan pontos, mint abban az esetben két párhuzamos tükör. Különösen, azt feltételezzük, hogy a hozzájárulások közötti erő a gömb és a lemezt teljesen független minden ponton. De ez csak akkor igaz, ha a gömb sugara sokkal nagyobb, mint a távolság a gömb és a lemezt.
Pontosabb számítások
A probléma tanulmányozása Casimir hatás, hogy a hagyományos tükrök - nem tökéletesen sima és lapos nézve Hendrik Casimir. Különösen hagyományos tükrök nem tökéletesen tükrözi minden hullámhosszon. Néhány ezek jól tükrözik - még szinte tökéletes, ugyanabban az időben, mint a többiek - ez rossz. Ezen kívül minden tükrök átlátszóvá vált igen nagy gyakorisággal. Így kiszámításakor Casimir erő szükséges figyelembe venni a frekvencia-függő reflexiós tényezői a tükrök. Ez a probléma akkor tekinthető Evgeny Lifshitz 1950-ben, majd Dzhulian Shvinger (Julian Schwinge) és még sokan mások.
Kiderült, hogy a mért Casimir erő közötti hagyományos fém tükrök távolságra helyezkedik el a 0,1 mikron, csak a fele, hogy az elmélet által jósolt a tökéletes tükröt. Ha nem veszi figyelembe ezt a különbséget, ha összehasonlítjuk a kísérleti adatokat az elmélet, akkor a téves következtetést, hogy ez a nézeteltérés okozta, hogy létezik egy új erő. Astrid Lambrecht (Astrid Lambrecht) és kollégája Serzh Reynod (Serge Reynaud) elvégezte a számításokat valós viselkedését tükrök, figyelembe véve a fémek fizikai tulajdonságainak. Arra a következtetésre jutottak, hogy abban az esetben a legegyszerűbb modell a tükör viselkedni „normálisan” a távolság több, mint 0,5 mikron.
Egy másik prblemy előforduló kiszámításakor az elméleti érték a Casimir erő, az a tény, hogy a kísérlet elvileg nem kell elvégezni, az abszolút nulla -, hogy feltételezzük, a számítás a Casimir - és szobahőmérsékleten tartjuk. Emiatt van, hogy figyelembe kell venni a termikus fluktuációk. Ezek létrehozhatják saját sugárzási nyomás, és így fokozzák a hatását a Casimir erő. Például, a Casimir erő a sík tükör, egymástól 7 mikronos, szobahőmérsékleten kétszer nagyobb, mint a abszolút nulla. Szerencsére, a termikus fluktuációk szobahőmérsékleten csak fontos nagyobb távolság, mint egy mikrométer, rövidebb távolságok hullámhossz ingadozása túl nagy ahhoz, hogy legalább egyszer teljes mértékben megfelelnek a lehetséges is.
A harmadik és egyben utolsó probléma kiszámításakor Casimir erő az a tény, hogy ezek a tükrök nem tökéletesen sima. A túlnyomó többsége a tükrök bevonásával készített vékony fémréteg bázisok; használja „porlasztó” technika. Ebben az esetben, a rétegvastagság-tartományok 50 nm. Ez a pontosság láthatatlan szabad szemmel, de hatással van a mért érték a Casimir erő, ami nagyon érzékeny a távolságot.
Mohiden (Mohideen) és csapata (California) a deformált felület, a közelmúltban kimutatták, hogy ezek a felületek szintén tapasztalt „oldalsó” Casimir erő, amely nem jár a merőleges és párhuzamos irányú a tükörrel. A kísérletekhez, az általuk készített egy különleges tükör, amelynek a felülete volt szinuszosan ívelt. Aztán elindultak tükröket úgy, hogy a csúcs egyik tükör vezetjük egymás keresztül a csúcsok és a „minimum”, a második tükröt. Azt találtuk, hogy az oldalirányú Casimir erő szinuszosan változik a fáziskülönbség a két „hullámok”. Az erő 10-szer kisebb, mint ez az eset a „normális” tükör által elválasztott azonos távolságra. Oldalirányú erő jellege is szükség van, hogy vákuum ingadozások.
Mehran Kadar (Mehran Kadar) a személyzet, a Massachusetts Institute of Technology kiszámították elméleti erő értéke két tökéletesen otrazhayushimi hullámos tükrök, míg Mohiden kollégái megszámolta fém tükrök és találtam jó egyezést az elmélet és a kísérlet. Oldalsó Casimir erő lehet más hatással Microdevices.
A Casimir hatás is szerepet játszhat a pontos mérését az erő a mikrokozmosz a mikro- és nanométeres mérlegek. Newton teszteltük sokszor a makrokozmosz, például a tanulmány a bolygó mozgás. De senki nem volt képes, hogy teszteljék azt mikron távolságok jó pontossággal. Az ilyen vizsgálatok fontosak, mert sok elmélet, mely összefüggés van mind a négy kölcsönhatást, és ezek az elméletek megjósolni a létezését új erők ezen a skálán. Így bármilyen ellentmondás az elmélet és a kísérlet is értelmezhető, mint a létezés új erők. Mindenesetre, a mérés hozott új korlátozásokat suschestvuyushie elmélet.
Jeans Gandblah (Jens Gundlach) Washington munkatársaival, például egy torziós inga meghatározására gravitációs erő között a két vizsgálati tömegek elválasztott 10 mm-220 mikron. Az mérések igazolták, hogy a newtoni gravitáció hat, ezen a skálán, és a Casimir erő dominál sokkal rövidebb távolságok. Közben Joshua Long (Joshua Long), Dzhonn imádkozik (John Price) az Egyetem munkatársaival Colorado Ephram Fischbach (Ephraim Fischbach) és kollégái a University Pardo (Purdue University) igyekezett kiküszöbölni a hatását a Casimir hatás submillimeter gravitációs teszt óvatosabbak anyagok kiválasztása a kísérletben használt.
De annak ellenére, hogy mindent megtesz a kutatók még mindig sok megoldatlan kérdés kapcsolódik a Casimir-effektus. Különösen a látszólag egyszerű kérdésre a Casimir erő egyetlen üreges gömb még mindig ég. Nem is biztos, hogy ez az erő vonzó vagy taszító. Hendrik Casimir maga gondolt erre a problémára 1953-ban, míg keres egy stabil elektron modell szerint.