Casimirův efekt

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 9. dubna 2022; ověření vyžaduje 1 úpravu .

Casimirův jev (Casimir-Polderův jev)  je jev spočívající ve vzájemném přitahování vodivých těles bez náboje působením kvantových fluktuací ve vakuu . Nejčastěji mluvíme o dvou paralelních nenabitých zrcadlových plochách umístěných v těsné blízkosti, ale Casimirův efekt existuje i u složitějších geometrií.

U opticky anizotropních těles je možný i výskyt Casimirova krouticího momentu v závislosti na vzájemné orientaci hlavních optických os těchto těles [1] .

Příčinou Casimirova jevu jsou energetické fluktuace fyzického vakua v důsledku neustálého zrodu a mizení virtuálních částic v něm . Účinek předpověděl holandský fyzik Hendrik Casimir ( 1909-2000 ) v roce 1948 [2] a později v roce 1957 [3] [4] byl experimentálně potvrzen.

Esence účinku

Podle kvantové teorie pole není fyzikální vakuum absolutní prázdnotou. Neustále se v něm rodí a mizí dvojice virtuálních částic a antičástic  – dochází k neustálým oscilacím (kolísání) polí s těmito částicemi spojených. Zejména se jedná o oscilace elektromagnetického pole spojené s fotony . Ve vakuu se rodí a mizí virtuální fotony, které odpovídají všem vlnovým délkám elektromagnetického spektra .

Pro zavedení makroskopických těles do vakua i bez náboje je nutné vykonat určitou práci, která je nutná ke změně okrajových podmínek pro pole fluktuací vakua. Modul této práce je roven rozdílu energií nulových kmitů vakua v nepřítomnosti a v přítomnosti těles [5] .

Například v prostoru mezi těsně umístěnými zrcadlovými plochami se okrajové podmínky pro fluktuační pole ve srovnání s vakuem bez těles mění následovně. Při určitých rezonančních délkách (celočíselné nebo poloviční číslo, kolikrát se mezi povrchy vejde), jsou elektromagnetické vlny zesíleny. Na všech ostatních délkách, které jsou větší, jsou tyto vlny naopak potlačeny (tedy produkce odpovídajících virtuálních fotonů je potlačena). Děje se tak proto, že v prostoru mezi deskami mohou existovat pouze stojaté vlny, jejichž amplituda na deskách je rovna nule. Výsledkem je, že tlak virtuálních fotonů zevnitř na dva povrchy je menší než tlak na ně zvenčí , kde produkce fotonů není nijak omezena. Čím blíže jsou povrchy k sobě, tím méně vlnových délek mezi nimi je v rezonanci a tím více je potlačeno. Takový stav vakua je někdy v literatuře označován jako Casimirovo vakuum . V důsledku toho se zvyšuje přitažlivá síla mezi povrchy.

Jev lze obrazně popsat jako „podtlak“, kdy vakuum postrádá nejen běžné, ale i část virtuálních částic, tedy „vypumpovali všechno a ještě trochu víc“. S tímto jevem souvisí i Scharnhorstův efekt .

Analogie

Fenomén sání lodí je podobný Casimirovu efektu a byl pozorován již v 18. století francouzskými námořníky. Když byly dvě lodě , kymácející se ze strany na stranu v podmínkách silného moře , ale slabého větru , ve vzdálenosti asi 40 metrů nebo méně, v důsledku rušení vln v prostoru mezi loděmi se vlny zastavily. Klidné moře mezi loděmi vytvářelo menší tlak než vlny z vnějších stran lodí. V důsledku toho vznikla síla, která se snažila vytlačit lodě do stran. Jako protiopatření lodní příručka z počátku 19. století doporučovala, aby obě lodě vyslaly záchranný člun s 10 až 20 námořníky, aby lodě od sebe odtlačili. Díky tomuto efektu (mimo jiné) se dnes v oceánu tvoří ostrovy odpadků .

Efekt také připomíná Le Sageovu kinetickou teorii gravitace , která spočívá v tlačení těles proti sobě pod tlakem některých hypotetických částic.

Velikost Casimirovy síly

Přitažlivá síla působící na jednotku plochy pro dva rovnoběžné ideální zrcadlové povrchy v absolutním vakuu je [6]

kde

 je redukovaná Planckova konstanta ,  je rychlost světla ve vakuu,  je vzdálenost mezi povrchy.

To ukazuje, že Casimirova síla je extrémně malá. Vzdálenost, ve které to začíná být patrné, je v řádu několika mikrometrů . Jelikož je však nepřímo úměrná 4. mocnině vzdálenosti, roste velmi rychle, jak se vzdálenost zmenšuje. Ve vzdálenostech řádově 10  nm  – ve stovkách velikosti typického atomu  – se tlak vytvořený Casimirovým jevem ukazuje jako srovnatelný s atmosférickým tlakem.

V případě složitější geometrie (například interakce koule a roviny nebo interakce složitějších objektů) se mění číselná hodnota a znaménko koeficientu [7] , takže Casimirova síla může být jak přitažlivá síla a odpudivá síla.

Navzdory skutečnosti, že vzorec pro Casimirovu sílu neobsahuje konstantu jemné struktury  - hlavní charakteristiku elektromagnetické interakce - tento efekt má přesto elektromagnetický původ. Jak je uvedeno v poznámce [8] , když se vezme v úvahu konečná vodivost desek, objeví se závislost na , a standardní výraz pro sílu se objeví v limitním případě , kde  je elektronová hustota v desce.

Grafen

Casimirův jev určuje interakci jakýchkoli elektricky neutrálních objektů na malé vzdálenosti (řádově mikrometr nebo méně). V případě realistických materiálů je velikost interakce určena objemovými vlastnostmi materiálu (permitivita v případě dielektrik, vodivost pro kovy). Výpočty však ukazují, že i pro monoatomické vrstvy grafenu může být Casimirova síla relativně velká a efekt lze pozorovat experimentálně [9] [10] .

Historie objevů

Hendrik Casimir pracoval ve Philips Research Laboratories v Nizozemsku, kde studoval koloidní roztoky  – viskózní látky, které mají ve svém složení částice o velikosti mikrometru. Jeden z jeho kolegů Theo Overbeek zjistil , že chování koloidních roztoků zcela nesouhlasí s existující teorií a požádal Casimira, aby tento problém prozkoumal. Casimir brzy dospěl k závěru, že odchylky od chování předpovídaného teorií lze vysvětlit tím, že se vezme v úvahu vliv fluktuací vakua na mezimolekulární interakce. To ho přivedlo k otázce, jaký vliv mohou mít fluktuace vakua na dvou rovnoběžných zrcadlových plochách, a vedlo ke slavné předpovědi o existenci přitažlivé síly mezi nimi.

Experimentální objev

Když Casimir učinil svou předpověď v roce 1948 , nedokonalost existujících technologií a extrémní slabost samotného efektu učinily její experimentální ověření extrémně obtížné. Jeden z prvních experimentů provedl v roce 1958 Marcus Spaarnay z centra Philips v Eindhovenu . Spaarney dospěl k závěru, že jeho výsledky „neodporují Casimirovým teoretickým předpovědím“. V roce 1997 začala série mnohem přesnějších experimentů, ve kterých byla zjištěna shoda mezi pozorovanými výsledky a teorií s přesností více než 99 %.

V roce 2011 skupina vědců z Chalmers University of Technology potvrdila dynamický Casimirův efekt . V experimentu vědci díky úpravě SQUID získali zdání zrcadla, které vlivem magnetického pole kmitá rychlostí asi 5 % rychlosti světla. To se ukázalo jako dostatečné k pozorování dynamického Casimirova jevu: SQUID vysílal proud mikrovlnných fotonů a jejich frekvence se rovnala polovině oscilační frekvence „zrcadla“. Právě tento efekt předpověděla kvantová teorie [11] [12] .

V roce 2012 tým výzkumníků z Floridské univerzity sestrojil první čip k měření Casimirovy síly mezi elektrodou a křemíkovým plátkem o tloušťce 1,42 nm při pokojové teplotě. Zařízení pracuje v automatickém režimu a je vybaveno pohonem, který nastavuje vzdálenost mezi deskami od 1,92 nm do 260 nm při zachování rovnoběžnosti. Výsledky měření poměrně přesně souhlasí s teoreticky vypočtenými hodnotami. Tento experiment ukazuje, že v daných vzdálenostech může být Casimirova síla hlavní silou interakce mezi deskami [13] [14] .

V roce 2015 bylo možné experimentálně detekovat a změřit Casimirův moment [15] .

Moderní výzkum Casimirova efektu

Aplikace

Do roku 2018 rusko-německá skupina fyziků ( V. M. Mostepanenko , G. L. Klimchitskaya, V. M. Petrov a skupina z Darmstadtu vedená Theo Tschudi ) vyvinula teoretické a experimentální schéma pro miniaturní kvantový optický chopper pro laserové paprsky na základě Casimirův jev, při kterém je Casimirova síla vyvážena lehkým tlakem [16] [17] .

V kultuře

Casimirův efekt je poměrně podrobně popsán v knize sci-fi Light of Other Days od Arthura C. Clarka , kde se používá k vytvoření dvou spárovaných červích děr v časoprostoru a k přenosu informací přes ně.

Poznámky

  1. ↑ Barash Yu. S., Ginzburg V. L. Elektromagnetické fluktuace v hmotě a molekulární (van der Waalsovy) síly mezi tělesy // UFN , vol. 116, str. 5-40 (1975)
  2. ↑ Casimir HBG O přitažlivosti mezi dvěma dokonale vodivými deskami  //  Proceedings of the Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen: journal. - 1948. - Sv. 51 . - str. 793-795 .
  3. ↑ Sparnaay, MJ Přitažlivé síly mezi plochými deskami   // Příroda . - 1957. - Sv. 180 , č. 4581 . - str. 334-335 . - doi : 10.1038/180334b0 . — .
  4. ↑ Sparnaay, M. Měření přitažlivých sil mezi plochými deskami  //  Physica: journal. - 1958. - Sv. 24 , č. 6-10 . - str. 751-764 . - doi : 10.1016/S0031-8914(58)80090-7 . - .
  5. ↑ Itsikson K., Zuber J.-B. Kvantová teorie pole. T. 1 - M .: Mir , 1984. - Náklad 6000 výtisků. - S. 171
  6. ↑ Sadovský M. V. Přednášky o kvantové teorii pole. - Moskva-Iževsk, Institut pro počítačový výzkum, 2003. - ISBN 5-93972-241-5  - Náklad 800 výtisků. - S. 67.
  7. ↑ Physical Encyclopedia, vol. 5. Stroboskopická zařízení - Jas / Kap. vyd. A. M. Prochorov. Ed. Kol.: A. M. Baldin, A. M. Bonch-Bruevich aj. - M .: Velká ruská encyklopedie, 1994, 1998. - 760 s. — ISBN 5-85270-101-7 , str. 644 .
  8. ↑ R. Jaffe . Casimirův efekt a kvantové  vakuum .
  9. ↑ Bordag M., Fialkovsky IV, Gitman DM, Vassilevich DV Casimirova interakce mezi dokonalým dirigentem a grafenem popsaná Diracovým modelem  // Physical Review B  : journal  . - 2009. - Sv. 80 . — S. 245406 . - doi : 10.1103/PhysRevB.80.245406 .
  10. ↑ Fialkovsky I. V., Marachevskiy V. N., Vassilevich D. V. Konečná teplota Casimirův efekt pro grafen  . — 2011.
  11. ↑ Fyzici poprvé zaregistrovali dynamický Casimirův efekt (nepřístupný odkaz) . Získáno 15. července 2011. Archivováno z originálu 20. ledna 2012. 
  12. ↑ Článek o dynamickém Casimirově efektu v Nature
  13. ↑ První žeton na měření Casimirovy síly
  14. ↑ Inženýři odhalili první čip Casimir, který využívá energii vakua | MIT Technology Review
  15. ↑ David A. T. Somers, Joseph L. Garrett, Kevin J. Palm & Jeremy N. Munday 19. prosince . 2018 Měření točivého momentu Casimir // Nature , svazek 564, strany 386—389 (2018)
  16. ↑ G. L. Klimchitskaya, V. V. Mostepaněnko, V. V. Petrov, T. Tschudi. Optical Chopper Driven by Casimir Force  (neopr.)  // Phys. Rev. Aplikovaný. - 2018. - T. 10 , č. 1 . - S. 014010 . - doi : 10.1103/PhysRevApplied.10.014010 .
  17. ↑ Fyzik KFU společně se skupinou vědců vyvinul nové zařízení pro optické komunikační systémy , mediální portál KFU  (26. února 2019).

Literatura

Odkazy

  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie
V bibliografických katalozích
 kvantová elektrodynamika