Эффект казимира

История открытия[править]

Хедрик Казимир работал в Philips Research Laboratories в Нидерландах, занимаясь изучением коллоидных растворов — вязких веществ, имеющих в своём составе частички микронных размеров. Один из его коллег, Тео Овербек (Theo Overbeek), обнаружил, что поведение коллоидных растворов не вполне согласуется с существующей теорией и попросил Казимира исследовать эту проблему. Вскоре Казимир пришёл к выводу, что отклонения от предсказываемого теорией поведения может быть объяснено, если учитывать влияние флуктуаций вакуума на межмолекулярные взаимодействия. Это и натолкнуло его на вопрос, какое воздействие могут оказать флуктуации вакуума на две параллельные зеркальные поверхности, и привело к знаменитому предсказанию о существовании между последними притягивающей силы.

Экспериментальное обнаружениеправить

Когда в 1948 году Казимир сделал своё предсказание, несовершенство существовавших технологий и чрезвычайная слабость самого́ эффекта делали его экспериментальную проверку чрезвычайно трудной задачей. Один из первых экспериментов провёл в 1958 году Маркус Спаарней (Marcus Spaarnay) из центра Philips в Эйндховене. Спаарней пришёл к выводу, что его результаты «не противоречат теоретическим предсказаниям Казимира». В 1997 году началась серия гораздо более точных экспериментов, в которых было установлено согласие между наблюдаемыми результатами и теорией с точностью более 99%.

Ученым удалось создать «гигантский» эффект Казимира

Сотрудниками Научно-технического университета Китая, была показана возможность наблюдения эффекта Казимира гигантских размеров. Этого удалось достигнуть используя метаматериалы. Стоит заметить, что результат исследований был представлен только в теоретическом виде.

Следует напомнить, что данный эффект был предсказан еще в 1948 году, голландским физиком Хендриком Казимром.

Именно он предположил, что на единицу площади двух проводящих незаряженных плоскопараллельных пластин в вакууме, должна действовать определенная сила притяжения, которая выражается через постоянную Планка, а также через скорость света и конечно же, через расстояние между пластинами.

В современной науке принято считать, что эффект Казимира пребывает в постоянной связи с рождением и исчезновением виртуальных фотонов в вакууме.

Похожие «нулевые флуктуации» электромагнитного поля в состоянии давать и другие результаты, которые возможно измерять.

Примером таких результатов может быть лэмбовский сдвиг, то есть, смещение уровней энергии связанных состояний электрона находящегося во внешнем поле.

Притяжение плоскопараллельных пластин друг к другу под действием силы Казимира (иллюстрация V. A. Yampol’skii, F. Nori).

Проблему усиления эффекта Казимира китайские ученые уже поднимали в прошлом году, после того как им удалось выяснить что достигнуть этой цели можно при помощи использования метаматериалов. В данной ситуации смущал только один факт – воплотить эти идеи в реальную жизнь, при помощи экспериментов, было невозможно.

Кроме того, в условиях сложившейся ситуации, экспериментаторы должны бы создавать метаматериал из отдельных сферических оболочек, что в свою очередь тоже препятствовало удачному проведению эксперимента.

В новом эксперименте речь идет о более «простом» пространстве Риндлера. Это пространство было введено австрийским ученым Вольфангом Риндлером с целью описания плоского пространства времени равномерно ускоренных наблюдателей.

Характеристики метаматериалов, которые способны имитировать поведение света в вышеупомянутом пространстве, тривиальны.

Интересным является тот факт, что формируются метаматериалы из обособленных слоев, а не из сферических оболочек, что существенно упрощает процесс управления ими.

Подготовлено по материалам Technology Review.

Ученые измерили силу Казимира с помощью микрорасчески

L. Tang et al.

/ Nature Photonics

Группа ученых из Гонконгского университета науки и технологии и Принстонского университета создали микросхему, в которой, за счет необычной структуры, эффект Казимира используется в обратном виде – наноструктуры отталкиваются, а не притягиваются друг к другу. Это открывает дорогу к использованию эффекта Казимира на практике, к примеру, для предотвращения слипания частей микроэлектронных систем. Исследование опубликовано в журнале Nature Photonics.

Наглядная иллюстрация эффекта Казимира Emok, MissMJ / Wikimedia Commons

Эффект Казимира заключается в взаимном притяжении незаряженных тел, находящихся на расстояниях нескольких сотен нанометров и ниже.

Сила, возникающая между телами обусловлена квантовыми флукуациями в вакууме – постоянным возникновением и исчезновением виртуальных пар фотонов. Этот эффект можно представить следующим образом: постоянно образующиеся и исчезающие частицы оказывают давление на тела.

Однако, при расстояниях между телами в сотни нанометров количество таких частиц уменьшается, тогда как давление извне остается неизменным, в итоге тела начинают притягиваться друг к другу.

Несмотря на то, что этот эффект был теоретически предсказан почти 70 лет назад, экспериментально полученных данных о нем все еще мало.

Исследователи создали микромеханическое устройство, с помощью которого можно измерить силу Казимира.

Часть исследовательской группы из Университета Принстона разработала методику, позволяющую моделировать взаимодействие пластин между собой. С помощью нее они предсказали отталкивающее взаимодействие за счет силы Казимира при использовании пластин специальной формы.

Методом литографии из на кремниевой пластине создали механизм в форме двух «расчесок» в которых зубья имели Т-образную форму. При сближении пластин сила Казимира начинает притягивать их друг к другу, а затем падает до нуля в положении, при котором Т-образные части находятся максимально близко.

Если продолжить продвигать одну пластину внутрь другой сила Казимира начинает оказывать обратный эффект, сопротивляясь сближению пластин. Чтобы измерить эту силу, ученые использовали следующий метод: на неподвижную часть подавали напряжение, что заставляло ее колебаться.

Ученые надеются, что их метод может быть использован в микроэлектромеханических системах, а улучшение качества пластин поможет получить наиболее точные измерения силы Казимира.

В 2011 году читатели журнала Nature назвали экспериментальное подтверждение динамического эффекта Казимира главной новостью года.

Григорий Копиев

Свободная энергия Казимира

Ученые в последние несколько лет, пытаются доказать что зависимость от ископаемого топлива человеку вообще не нужна.

Они утверждают, что мы продолжаем бороться за источники энергии, разрушать окружающую среду и вредить матери-Земле.

Продолжаем использовать те же старые методы, научные теории  которые генерируют триллионы долларов для тех, кто находится на вершине энергетической промышленности.

Корпоративные СМИ продолжают продвигать идею о том, что мы находимся в энергетическом кризисе, что мы приближаемся к серьезной проблеме из-за нехватки ресурсов.

Концепция энергии нулевой точки

Отдельные ученые утверждают, что одна и та же группа акционеров, которые владеют энергетикой, также владеют корпоративными СМИ. Как представляется, это является еще одной тактикой страха и еще одним оправданием неиспользования свободной энергии. Например, эффект Магнуса используется на практике.

Как может быть нехватка ресурсов, когда у нас есть системы, которые могут обеспечить ресурсы без внешнего заимствования? Это означает, что эти системы могут работать бесконечно и обеспечивать ресурсами всю планету без сжигания ископаемого топлива. Это устранит большую часть «счетов», которые люди платят за жизнь, и уменьшит вредное воздействие, которое мы оказываем на землю и ее окружающую среду.

Даже если Вы не верите в концепцию свободной энергии (также известной как энергия нулевой точки), у нас есть несколько чистых источников, которые делают всю энергетику устаревшей.

Однако, если бы новые энергетические технологии были свободны во всем мире, изменения были бы глубокими. Это повлияло бы на всех, это было бы применимо везде. Эти технологии-абсолютно самое главное, что произошло в истории мира.

Сила энергии Казимира

Эффект Казимира — это доказательство примера свободной энергии, который не может быть опровергнут.

Генрих Казимир

Энергия была предсказана немецким физиком-теоретиком Генрихом Казимиром в 1948 году, но не получена экспериментально, из-за отсутствия на тот момент технологий.

Эффект Казимира иллюстрирует энергию нулевой точки или вакуумного состояния, который предсказывает, что две близкие друг к другу металлические пластины притягиваются из-за дисбаланса в квантовых флуктуациях.

Вакуумы, как правило, считаются пустотами, но Хендрик Казимир считал, что они не содержат колебаний электромагнитных волн. Он предположил, что две металлические пластины, удерживаемые в вакууме, могут поглощать волны, создавая энергию вакуума, которая могла бы притягивать или отталкивать пластины.

Если расположить две пластины в вакууме, то они притягивают друг друга и эта сила была названа эффектом Казимира как энергия вакуума (нулевых колебаний). Недавние исследования, проведенные в Гарвардском университете и университете в Амстердаме и в других местах подтвердили правильного эффекта Казимира.

Однако сила Казимира очень слаба и обнаруживается если тела разнесены на несколько микрон и резко увеличивается если тела приближаются на расстояние меньше микрона.

Суть эффекта

Файл:Casmir plates.jpg

Голландский физик-теоретик Хендрик Казимир был первым, кто осознал, что между двумя параллельными зеркальными пластинами в вакууме, вследствие флуктуаций электромагнитного поля, возникает сила притяжения. Давление флуктуаций поля снаружи пластин оказывается больше давления между пластинами. Сила притяжения, называемая силой Казимира, прямо пропорциональна площади пластин и обратно пропорциональна 4-й степени расстояния между ними. См. также анимацию эффекта.

Согласно квантовой теории поля, физический вакуум представляет собой не абсолютную пустоту. В нём постоянно рождаются и исчезают па́ры виртуальных частиц и античастиц — происходят постоянные колебания (флуктуации) связанных с этими частицами полей. В частности, происходят колебания связанного с фотонами электромагнитного поля. В вакууме рождаются и исчезают виртуальные фотоны, соответствующие всем длинам волн электромагнитного спектра. Однако в пространстве между близко расположенными зеркальными поверхностями ситуация меняется. На определённых резонансных длинах (целое или полуцелое число раз укладывающихся между поверхностями), электромагнитные волны усиливаются. На всех остальных же длинах, которых больше, напротив, подавляются (то есть, подавляется рождение соответствующих виртуальных фотонов). В результате, давление виртуальных фотонов изнутри на две поверхности оказывается меньше, чем давление на них извне, где рождение фотонов ничем не ограничено. Чем ближе друг к другу поверхности, тем меньше длин волн между ними оказывается в резонансе и больше — оказывается подавленными. Как следствие, растёт сила притяжения между поверхностями.

Энергия вакуума

Эффект Казимира происходит из квантовой теории поля, которая требует, чтобы все фундаментальные поля, такие как электромагнитное поле, были квантовыми в каждой точке пространства. Проще говоря, физическое поле можно рассматривать как пространство, заполненное шариками и вибрирующими пружинами, которые все взаимосвязаны; напряженность поля материализуется как движение мяча из положения покоя. Колебания в этом поле распространяются согласно соответствующему волновому уравнению для конкретного рассматриваемого поля.

Вторая гипотеза квантования квантовой теории поля требует, чтобы каждая комбинация шарика-пружина была квантовой, то есть напряженность поля была квантовой в каждой точке пространства. Поле везде описывается как простой гармонический осциллятор. Возбуждения поля соответствуют элементарным частицам физики элементарных частиц. Однако вакуум имеет сложную структуру. Все расчеты квантовой теории поля должны производиться относительно этой модели вакуума.

Вакуум неявно обладает всеми свойствами, которыми может обладать частица: спином, поляризацией в случае света, энергией и т. Д. Все эти величины имеют нулевые средние значения: в конце концов, вакуум в этом смысле «пуст», за исключением энергии. Квантование простого гармонического осциллятора показывает, что его минимальная энергия, также называемая энергией нулевой точки , равна:Eзнак равно12ℏω .{\ displaystyle {E} = {\ begin {matrix} {\ frac {1} {2}} \ end {matrix}} \ hbar \ omega \.}

Сумма энергии всех осцилляторов во всем пространстве дает бесконечную величину. Чтобы избавиться от него, мы «  перенормируем  »: мы считаем разницу в энергии только значимой (что-то вроде электрического напряжения , из которого учитываются только различия).

Хотя перенормировка может предсказать правильные результаты, она остается принципиально проблематичной. Устранение этой бесконечности — одна из задач «  Теории всего  ». В настоящее время мы не знаем, почему рекомендуется присвоить этой бесконечности нулевое значение. Количество энергии вакуума в масштабе вселенной моделируется космологической постоянной в уравнении Эйнштейна .

Заметки

1. ↑ и Бертран Дюплантье; Введение в эффект Казимира , семинар Пуанкаре (Париж, 9 марта 2002 г.). См. Библиографию.
2. Роджер Балиан  ; Эффект Казимира и геометрия , семинар Пуанкаре (Париж, 9 марта 2002 г.). См. Библиографию.
3. Фонг К.Ю. и др. , Фононная теплопередача в вакууме посредством квантовых флуктуаций , Nature, 2019.
4. Или лучше: тарелки в форме дисков!
5. Или, что математически то же самое: фиксированный удаленный нижний предел температуры .Т→{\ displaystyle T \ to 0}L{\ displaystyle L}
6. (in) Ю. С. Бараш, »  Момент действия силы Ван-дер-Ваальса в анизотропных телах  » , Радиофизика и квантовая электроника , Vol.  21, п о  11,Ноябрь 1978 г., стр.  1138-1143 ( DOI   ).
7. (in) Парсегян В.А. и Джордж Х. Вайс, «  Диэлектрическая анизотропия и ван-дер-ваальсово взаимодействие в объемных средах  » , The Journal of Adhesion , Vol.  3, п о  4,1972 г., стр.  259-267 ( DOI   ).
8. ↑ и . (ru) Слободан Шумер, «  Неуловимый крутящий момент, воспринимаемый жидкими кристаллами  » , Nature , vol.  564, г.19 декабря 2018 г., стр.  350-351 ( DOI   ).
9. ↑ и (in) Дэвид Сомерс А. Т. Джозеф Л. Гарретт, Кевин Дж. Палм и Джереми Н. Мандей, «  Измерение крутящего момента Казимира  » , Nature , vol.  564, г.19 декабря 2018 г., стр.  386-389 ( DOI   ).
10. (in) Хендрик Казимир , «  О тяготении, проводящем два идеально плоских  » , Proc. Кон. Nederl. Акад. Wetensch , т.  B51,1948 г., стр.  793
11. (in) Хендрик Казимир , »  Влияние замедления на силы Лондона-Ван-дер-Ваальса  » , Phys. Ред. , т.  73,1948 г., стр.  360
12. Астрид Ламбрехт и Серж Рейно; Недавние эксперименты с эффектом Казимира: описание и анализ , семинар Пуанкаре (Париж, 9 марта 2002 г.). См. Библиографию.
13. Томас Буассон, «  Сверхпроводимость и эффект Казимира в сочетании для изучения квантовой гравитации  », Trust My Science ,30 июля 2018 г.

История открытия

Хендрик Казимир работал в Philips Research Laboratories в Нидерландах, занимаясь изучением коллоидных растворов — вязких веществ, имеющих в своём составе частички микронных размеров. Один из его коллег, Тео Овербек (Theo Overbeek), обнаружил, что поведение коллоидных растворов не вполне согласуется с существующей теорией и попросил Казимира исследовать эту проблему. Вскоре Казимир пришёл к выводу, что отклонения от предсказываемого теорией поведения может быть объяснено, если учитывать влияние флуктуаций вакуума на межмолекулярные взаимодействия. Это и натолкнуло его на вопрос, какое воздействие могут оказать флуктуации вакуума на две параллельные зеркальные поверхности, и привело к знаменитому предсказанию о существовании между последними притягивающей силы.

Эффект Казимира – шанс выхода человечества в большой космос

Эффект Казимира — эффект, заключающийся во взаимном притяжении проводящих незаряженных тел под действием квантовых флуктуаций в вакууме.

Чаще всего речь идёт о двух параллельных незаряженных зеркальных поверхностях, размещённых на близком расстоянии, однако эффект Казимира существует и при более сложных геометриях.

 Причиной эффекта Казимира являются энергетические колебания физического вакуума из-за постоянного рождения и исчезновения в нём виртуальных частиц.

Эффект был предсказан голландским физиком Хендриком Казимиром (Hendrik Casimir, 1909—2000) в 1948 году, а позднее подтверждён экспериментально.

Воспользуйтесь нашими услугами

Доктор Ричард Обоуси в своей статье раскрывает новую концепцию силовой установки для космического корабля, основанную на изменениях локальной космологической постоянной для обеспечения расширения/сжатия пространства-времени вокруг космического корабля, создающих движущее поле необычного типа. Эта идея аналогична пространственно-временным пузырям Алькубьерре, но полностью отличается в подходе, опираясь на физику квантовой теории поля в пространстве высшего числа измерений, а не на общую теорию относительности.

«Этот гиперпространственный двигатель открывает уникальную и обнадёживающую возможность в духе Морриса, Торна и Юрцевера поставить вопрос о том, «какие ограничения накладывают законы физики на способности сколь угодно развитой цивилизации».

Основным фокусом работы было показать, что управление радиусом одного (или более) дополнительных измерений, предусмотренных теориями квантовой гравитации, создаёт локальную асимметрию космологической постоянной, которая может приводить в движение космический корабль.

На слишком ранних этапах теоретической разработки этой идеи сложно делать какие-либо прогнозы о том, как будет работать этот двигатель.

Было бы наивно представить себе космический корабль с необычным генератором мощности, который мог бы создать необходимую энергию, позволяя локально управлять дополнительными измерениями.

Некоторые классы многомерных моделей предполагают, что эффект Казимира является перспективным способом управления космологической постоянной.

В данной работе учёный показал, что достаточно развитая цивилизация в принципе может манипулировать радиусом дополнительных измерений, чтобы локально регулировать величину космологической постоянной.

Это позволит  расширять/сжимать пространство-время вокруг космического корабля, создавая совершенно необычный вид движущего поля. Поскольку расширение пространства-времени само по себе не ограничивается относительностью, то создание двигателя, развивающего скорость быстрее скорости света, вполне возможно.

Эффект Шарнхорста

Это теоретически предсказанное в 1993 году физическое явление, которое заключается в том, что свет двигающийся между пластинками Казимира должен оказываться в среде с «отрицательной плотностью» и двигаться тем самым быстрее скорости света в обычном вакууме. Эффект невероятно сложен для измерения: свет, двигающийся между пластинками, разнесёнными всего на микрон будет ускоряться всего на 10-36 долю от своей обычной скорости. Сложность его измерения привела к тому что на данный момент даже не проводилось попыток его подтверждения/опровержения. Если этот эффект всё-таки подтвердится, он может быть использован в таких экзотических применениях как линзы для гамма-излучения и оптические кабели на основе со «сверхсветовой» скоростью связи.

Аналогия

Эффект, аналогичный эффекту Казимира, наблюдался в XVIII веке французскими моряками. Когда два корабля, раскачивающихся из стороны в сторону в условиях сильного волнения, но слабого ветра, оказывались на расстоянии меньше приблизительно 40 метров, в результате интерференции волн, в пространстве между кораблями прекращалось волнение. Спокойное море между кораблями создавало меньшее давление, чем волнующееся с внешних сторон. В результате возникала сила, стремящаяся столкнуть корабли. В качестве контрмеры, руководство по мореплаванию начала 1800-х годов рекомендовало обоим кораблям послать по шлюпке с 10—20 моряками, чтобы расталкивать корабли.

Динамический эффект

Это явление заключается в том, что если зеркало движется с релятивистской скоростью, то часть из виртуальных пар частиц не успевает проаннигилировать и разделяется, превращаясь тем самым в реальные фотоны. Существование такого эффекта было предсказано в середине 70-х Джулианом Швингером и подтверждено учёными в 2011 году. Для проведения эксперимента они использовали сверхпроводящий квантовый интерферометр, который мог имитировать электромагнитное зеркало, движущееся со скоростью в 5% от скорости света. Это явление не нарушает закона сохранения энергии (как могло бы показаться), так как на приведение в движение зеркала расходуется энергия. На данный момент оно рассматривается только как гипотетическая двигательная установка на подобие проходящего сейчас испытания сразу в нескольких местах EmDrive.

Эксперименты и доказательства

Сам эффект Казимира был предложен в 1948 году физиком Хендриком Казимиром. Годом ранее Казимир вместе с физиком Дирком Полдером в научно-исследовательской лаборатории Philips выдвинули идею о том, что между проводящей пластиной и атомом, а также между двумя атомами существует некая сила. Атомы должны быть поляризованы, чтобы проявлялся этот эффект — то есть разделять или накапливать положительные и отрицательные электрические заряды в двух разных областях. Эти идеи появились у физиков после бесед с Нильсом Бором, который предположил, что, находясь в самой низкой энергетической точке, система должна что-то делать с этой силой.

• 1958 — непрямой эксперимент: Спарнаай использовал параллельные пластины, чтобы получить наглядные проявления эффекта Казимира, но с множеством экспериментальных ошибок;
• 1972 — непрямой эксперимент: Сабиски и Андерсон измерили толщину гелиевых пленок, косвенно подтвердив эффект Казимира;
• 1978 — непрямой эксперимент: фон Блэк и Овербеек наблюдали силу качественно;
• 1997 — прямой эксперимент: Ламоро, Мохидин и Рой качественно измерили силу в пределах 15% от величины, предсказанной теорией;
• 2001 — прямой эксперимент: ученые из Университета Пади использовали микрорезонаторы, чтобы обнаружить этот эффект между параллельными пластинами.

За многие годы стало очевидно, что использование двух параллельных пластин для обнаружения этой силы требует невероятной точности, когда дело доходит до выравнивания. Одна из пластин была замещена сферической пластиной с очень большим радиусом.

Динамический эффект Казимира потребовал больше времени для проверки. Он был предсказан в 1970-х годах и экспериментально подтвержден в мае 2011 года учеными из Технологического университета Чалмерса в Гетеборге, Швеция. Ученые генерировали микроволновые фотоны в вакууме сверхпроводящего микроволнового резонатора. Для достижения эффекта движущейся пластины ученые использовали модифицированный SQUID (сверхпроводящее устройство квантовой интерференции), чтобы регулировать дистанцию между пластинами. Результаты до сих пор находятся на рассмотрении научной экспертизы, но если они подтвердятся, это будет первое экспериментальное подтверждение динамического эффекта Казимира.