Експериментът на Казимир показва, че вакуумът не е празен, а

Експериментът на Казимир демонстрира, че вакуумът не е празен, а е изпълнен с виртуални частици.

Идеята на Хендрик Казимир за осъществяване на практическия експеримен напълно не е комплицирана е елементарна. Необходимо е да се приближат два железни предмета и да се изчака. Без никакви външни сили, без подтикване и дърпане, без гравитация, напрежение или магнетизъм, предметите ще стартират да се сближават един към различен. Причината за това е неизчерпаемият източник на трептения, който се намира в самия вакуум на пространство-времето.

Този революционен опит е препоръчан за първи път от Казимир директно след Втората международна война. Но е сбъднат едвам преди 25 години. Той отваря пътя на учените към наблюдение на проявленията на квантовата доктрина в действителността, на процедура. Квантовите полета и техните трептения са в основата на актуалното ни схващане за физиката – от субатомните взаимоотношения до еволюцията на цялата Вселена. Благодарение на работата на Казимир научихме, че във вакуума на пространството прониква безкрайна сила. В научната фантастика има доста хрумвания за потребление на силата на вакуума за задвижване на галактически кораби или други усъвършенствани задвижващи системи. Такова е да вземем за пример уарп задвижването. Въпреки че тези хрумвания към този момент остават фантазии, забавно е, че един елементарен опит, умислен през 1948 година, разпали въображението и разбирането ни за Вселената.

Схематично обрисуване на Експеримента на Казимир

Казимир, холандски физик, прекарва годините на следдипломната си подготовка със своя наставник Нилс Бор. Нилс Бор е един от създателите на квантовата физика и е запленен от тази нова, необикновена доктрина за космоса. Но с развиването на квантовата доктрина тя стартира да предлага някои извънредно странни изказвания за Вселената. Квантовият свят е чудноват и неговата изключителна чудноватост нормално е невидима за нас. Той действайки в мащаби, доста по-малки от естественото ни човешко усещане или изпробване. Казимир се запитал по какъв начин бихме могли да проверим тези хрумвания.

Той открива доста необикновен способ за премерване на въздействието на безкрайните квантови полета, които проникват във всичко към нас. Използват се просто дребни железни пластини, ситуирани на извънредно дребни дистанции една от друга. Това проучване демонстрира, че квантовите феномени могат да се демонстрират по в действителност забележителни способи, които са налични за наблюдаване и премерване. Нещо повече, то удостовери, че квантовата чудноватост е справедлива действителност, която не може да бъде отричана или подценявана. Доказа се, че колкото и необикновени да наподобяват прогнозите на квантовата механика за действието на Вселената, те имат твърда основа и би трябвало да бъдат приети. По този метод квантовите полета, въпреки и да наподобяват необикновени, в действителност са безспорна действителност, с която се сблъскваме всекидневно.

Един от уроците на квантовия свят е, че частици като електроните, фотоните, неутриното и други в действителност не са това, което ни се коства, че са. Вместо това всяка от частиците, които виждаме в природата, в действителност е единствено част от доста по-голяма, по-величествена същина. Тези величествени същности са известни като квантови полета. А полетата проникват във всяка парченце от пространството и времето във Вселената по този начин, както маслото и зехтинът проникват в една филийка самун.

За всеки тип парченце съществува квантово поле: едно поле за електроните, друго за фотоните и така нататък Тези полета са невидими за нас, само че те съставляват фундаменталните градивни детайли на съществуването. Те непрекъснато вибрират и жужат. Когато полетата вибрират с задоволително сила, се появяват частици. Когато полетата отслабнат, частиците изчезват. С други думи, това, което назоваваме „ парченце “, в действителност е локализирана осцилация на квантово поле. Когато две частици си взаимодействат, това в действителност е взаимоотношение на две парченца от квантови полета.

Всъщност не съществува такова нещо като безспорен вакуум. Където и да отидете, постоянно има вибриращи квантови полета. Тези квантови полета постоянно вибрират, даже когато тези трептения не са задоволително мощни, с цел да основат парченце. Ако вземете една кутия и извадите от нея цялата материя – всички електрони, всички фотони, всички неутрино, всичко – кутията към момента ще бъде изпълнена с тези квантови полета. Тъй като тези полета вибрират даже в изолираност, това значи, че кутията е изпълнена с невидима вакуумна сила, известна още като сила на нулевата точка. Това е силата на тези фундаментални трептения.

Всъщност допустимо е да се пресметна какъв брой трептения се съдържат във всяко от тези квантови полета….. и отговорът е безконечност! Съществуват дребни, междинни, огромни и великански, като всички те непрестанно се наслагват едно върху друго, като че ли самото пространство-време кипи на субатомно равнище. Това значи, че вакуумът на Вселената в действителност е формиран от нещо. Не съществува такова нещо като безспорен вакуум; където и да отидете, постоянно има вибриращи квантови полета.

Именно тук се появява опитът на Казимир. Ако вземете две железни плочи и ги приближите доста, доста близо една до друга, квантовите полета сред тези плочи би трябвало да се държат по избран метод. Дължината на вълната на техните трептения би трябвало да пасне идеално сред плочите, тъкмо както вибрациите на струната на китара би трябвало да паснат на дължината на струната. В квантовия случай сред плочите към момента има безконечен брой трептения. Но – и това е значимо – сред плочите има по-малко трептения, в сравнение с отвън тях.

Как е допустимо това? В математиката не всички безкрайности са идентични и ние сме създали комплицирани принадлежности за тяхното сравняване. Да разгледаме да вземем за пример един тип безконечност, при която поредно прибавяме цифри едно към друго. Започвате с 1, по-късно добавяте 2, след това 3, след това 4 и така нататък Ако продължите това прибавяне безпределно, ще достигнете до безконечност. Сега разгледайте различен тип събиране, този път с потребление на степени на 10. Започвате с 10 1, по-късно добавяте към него 10 2, след това 10 3, след това 10 4 и продължавате.

Използвайки този комплициран математически трик, можем да извадим два типа безкрайности – тези сред металните пластини и тези отвън тях – с цел да получим извънредно число. Това значи, че от външната страна на двете пластини в действителност има повече квантови трептения, в сравнение с от вътрешната. Това събитие води до заключението, че квантовите полета от външната страна на пластините ги притискат една към друга, което се назовава резултат на Казимир по името на Хендрик.

Ефектът е необикновено дребен, към 10 -12 нютона, и изисква металните пластини да са на разстояние един микрометър една от друга. Така че, въпреки Казимир да е предсказал съществуването на този квантов резултат, едвам през 1997 година най-сетне успяхме да го измерим с помощта на напъните на физика от Йейлския университет Стив Ламоро.

MEMS конфигурация, употребена за разкриване на съществуването на мощ на Казимир. (Източник: ANL)

Защо в наши дни учените още веднъж се концентрират върху Ефекта на Казимир? Оказа се, че той може да се употребява при нанотехнологиите и при създаването и производството на най-съвременните силициеви чипове, които към този момент съвсем доближиха лимита на физиката, каквато е позната в наши дни.

Ако откривателите от Националната лаборатория в Аргон съумеят да обезвреждат резултата на силата на Казимир, внедряването на NEMS ще стане всеобщо.

Така да вземем за пример, учени от Националната лаборатория в Аргон (ANL), работят по преодоляването на резултата на Казимир – квантовомеханична мощ, която притегля обектите, отдалечени на няколко нанометра един от различен. Това е сериозна спънка за внедряването на наноелектромеханични системи (NEMS). NEMS биха могли да намерят неповторими приложения в региона на датчиците, телекомуникациите, обработката на сигнали, съхранението на данни и други Но на наноравнище силата на Казимир е доста мощна, което затруднява контрола на тези устройства.

Отново да напомним, че резултатът на Казимир е резултат от обстоятелството, че пространството е изпълнено с вакуумни флуктуации, виртуални двойки частица-античастица, които непрестанно се образуват от нищото, след което бързо изчезват. Този резултат се следи сред две железни паралелни пластини, ситуирани на разстояние 100 nm една от друга. Разстоянието сред плочите лимитира диапазона на вероятните дължини на вълните за тези виртуални частици.

Тъй като те са по-малко на брой в това пространство, това води до по-ниска компактност на силата сред двете плочи, в сравнение с в отвореното пространство. Това основава негативна сила и налягане, които притеглят плочите една към друга; колкото по-тясна е празнината, толкоз по-ограничена е дължината на вълната на виртуалните частици, толкоз по-отрицателна е силата и налягането, толкоз по-силна е притегателната мощ. В наномащаб тя се трансформира в преобладаваща мощ сред незаредени проводници. В взаимозависимост от геометрията на повърхността и други фактори, при дистанции от 10 nm резултатът на Казимир може да провокира еквивалент на налягане от 1 атмосфера (101,3 kPa).