Casimir force termini Casimir force termini İngilis dilində Casimir forces Sinonimlər Casimir effect İxtisarlar Əlaqəli terminlər Tərif: vakuumda elektromaqnit sahəsinin sıfır nöqtəli rəqslərinin ikinci dərəcəli kvantlaşdırılması üçün sərhəd şərtlərinin olması nəticəsində yaranan qüvvə. Xüsusi halda iki yüksüz keçirici paralel plitə onların arasındakı cazibə qüvvəsidir.
Təsvir
Makroskopik standartlara görə, Casimir qüvvəsi əhəmiyyətsizdir. Bununla belə, ölçüləri bir neçə nanometr olan və müvafiq olaraq olduqca aşağı kütləyə malik olan obyektlər üçün Casimir qüvvəsi çox nəzərə çarpır və nanoelektromexaniki cihazların (NEMS) layihələndirilməsi zamanı nəzərə alınmalıdır.
1948-ci ildə holland alimləri Hendrik Casimir və Dirk Polder tərəfindən aparılan ilkin hesablamalar () məsafədə yerləşən iki yüksüz mükəmməl keçirici metal lövhənin mövcudluğunu nəzərdə tuturdu. a bir-birindən. Bu vəziyyətdə güc F, vahid sahəyə görə A, aşağıdakı kimi hesablana bilər:
Plank sabitinin olması ( ? = 1,05*10 -34 J*s) bu kəsrin payında və onun ifrat kiçikliyini müəyyən edir.
Bu qüvvənin fiziki mənasını izah etmək üçün yadda saxlamalıyıq ki, kvant mexanikasının postulatlarına uyğun olaraq hissəcik enerjisinin sabit dəyərləri stasionar Schrödinger tənliyi ilə müəyyən edilir:
Əgər hissəcik ixtiyari potensial sahəsindədirsə və sərbəst vibrasiya (rəylənmə) qabiliyyətinə malikdirsə və bərpaedici qüvvənin potensialı bərabər eksponentli güc funksiyası ilə (yəni parabola) təsvir edilirsə, tənliyin həlli aşağıdakı xüsusi dəyərləri verir. enerjidən E:
Harada ? osilatorun təbii tezliyidir və ?? - səviyyələrin enerjiləri ilə kvantların ədədləri arasındakı fərqə bərabər kvant n Və n-1. Bu ifadə harmonik osilator üçün Şrödinger tənliyinin həlli adlanır. Bu həlldən aydın olur ki, hətta osilatorda enerji kvantlarının sayı n=0, harmonik osilatorun enerjisi sıfır deyil, lakin ??/2 . Ölçü ??/2 çağırdı sıfır salınım harmonik osilator.
Bu məntiqi elektromaqnit şüalanmasının kvantlarına - fotonlara genişləndirsək (və yanaşmadan istifadə edin ikinci dərəcəli kvantlaşdırma, fotonların yaradılması və məhv edilməsi operatorlarından istifadə edir), onda müəyyən yaxınlaşma üçün Casimir qüvvəsinin meydana gəlməsini aşağıdakı kimi izah etmək olar: hər hansı bir cisim olmadıqda, fiziki vakuumun bütün məkanı sonsuz sayda enerji ilə doldurulur. elektromaqnit sahəsinin sıfır nöqtəli salınımlarının harmonikləri (yuxarıda göstərildiyi kimi fotonlar olmadıqda belə, vakuum enerjisi sıfır olmayacaq), müvafiq olaraq sonsuz dalğa uzunluqları dəsti ilə.
İki keçirici lövhənin olması məkanı elə məhdudlaşdırır ki, onların səthində elektrik sahəsinin eninə komponenti və maqnit sahəsinin normal komponenti sıfıra bərabər olsun. Yəni dalğa uzunluğu olan daimi dalğa 2a/ k, harada k- harmonik ədəd (1, 2, 3 və s.). Eyni zamanda, plitələrdən kənarda fiziki vakuum sahəsi pozulmadan qalır və bu, plitələrə təzyiq göstərir, onları bir-birinə yaxınlaşdırmağa çalışır.
Casimir gücünü aşkar etmək üçün ilk təcrübələr artıq 1958-ci ildə həyata keçirilmişdir (), lakin onların dəqiqliyi çox aşağı idi. Daha doğrusu, Casimirin gücünü 1997-ci ildə Steve Lamoreaux ölçdü ().
- Luri Sergey Leonidoviç, t.ü.f.d.
- Casimir H. B. G. və Polder D. Gecikmənin London-van der Waals qüvvələrinə təsiri // Fiziki baxış - 1948. cild. 73(4). - səh. 360–372
- Sparnaay M.J. Düz lövhələr arasında cəlbedici qüvvələrin ölçülməsi//Physica - 1958. cild. 24 (6-10) - səh. 751 - 764
- Lamoreaux S. K. Casimir Qüvvəsinin 0,6 ilə 6 µm diapazonda nümayişi//Fiz. Rev. Lett. - 1997. cild. 78 (1) - səh. 5–8
Nanotexnologiyaların Ensiklopedik Lüğəti. - Rusnano. 2010 .
Digər lüğətlərdə "Cazimirin gücü" nə olduğuna baxın:
Kazimir effekti vakuumda kvant dalğalanmalarının təsiri altında keçirici yüksüz cisimlərin qarşılıqlı cazibəsindən ibarət effektdir. Çox vaxt yaxın yerləşdirilmiş iki paralel yüklənməmiş güzgü səthindən danışırıq... ... Wikipedia
Casimir qüvvələri
Fiziki bütünlük sərhədləri olan regionlarda və qeyri-trivial topologiyaya malik fəzalarda sıfır nöqtəli rəqslərin spektrinin dəyişməsi nəticəsində kvantlaşdırılmış sahələrin vakuumunun xüsusi qütbləşməsi nəticəsində yaranan hadisələr. 1948-ci ildə X. Casimir tərəfindən proqnozlaşdırılan... Fiziki ensiklopediya
Lütfən, məlumatları yeniləyin. Bu məqalədə məlumatlar əsasən 2007-2008-ci illərə aiddir...
Casimir Qüvvələri- Casimir Forces Casimir Forces Mütləq vakuumda yerləşən iki paralel ideal güzgü səthi arasında hərəkət edən cazibə qüvvəsi. Casimirin gücü olduqca kiçikdir. Onun başladığı məsafə nə qədərdir...... Nanotexnologiya üzrə ingiliscə-rusca izahlı lüğət. - M.
Fok vəziyyəti dəqiq müəyyən edilmiş sayda hissəciklərə malik kvant mexaniki vəziyyətdir. Sovet fiziki V. A. Fokun şərəfinə adlandırılmışdır. Mündəricat 1 Fock dövlətlərinin xüsusiyyətləri 2 Dövlətlərin enerjisi ... Vikipediya
Bütün Rusiyanın Böyük Hersoqluğu, bəzən Böyük də adlandırılır, Böyük Hersoq Vasili Vasilyeviç Qaranlığın böyük oğlu və onun həyat yoldaşı, şahzadənin nəvəsi Böyük Düşes Mariya Yaroslavna. Vladimir Andreeviç Cəsur, b. 22 yanvar 1440-cı il, anım günü... ... Böyük bioqrafik ensiklopediya
Bu məqalədə vektorlar qalın şriftlə, onların mütləq dəyərləri isə kursivlə, məsələn, . Klassik mexanikada Laplace Runge Lenz vektoru əsasən orbitin formasını və oriyentasiyasını təsvir etmək üçün istifadə edilən bir vektordur ... ... Wikipedia
Bu məqalədə vektorlar və onların mütləq dəyərləri qalın və kursivlə göstərilir, məsələn. Klassik mexanikada Laplace Runge Lenz vektoru əsasən orbitin formasını və oriyentasiyasını təsvir etmək üçün istifadə edilən bir vektordur ... ... Wikipedia
- 1958 - dolayı təcrübə: Sparnai Casimir effektinin aydın nümayişini əldə etmək üçün paralel plitələrdən istifadə etdi, lakin bir çox eksperimental səhvlərlə;
- 1972 - dolayı təcrübə: Sabisky və Anderson helium filmlərinin qalınlığını ölçdü, dolayısı ilə Casimir effektini təsdiqlədi;
- 1978 - dolayı eksperiment: von Black və Overbeek gücü keyfiyyətcə müşahidə etdilər;
- 1997 - birbaşa təcrübə: Lamoreaux, Mohideen və Roy nəzəriyyə ilə proqnozlaşdırılan dəyərin 15% daxilində qüvvəni keyfiyyətcə ölçdülər;
- 2001 - birbaşa təcrübə: Padi Universitetinin alimləri paralel plitələr arasında bu təsiri aşkar etmək üçün mikro boşluqlardan istifadə etdilər.
İllər keçdikcə aydın oldu ki, bu qüvvəni aşkar etmək üçün iki paralel lövhədən istifadə etmək, hizalanmaya gəldikdə inanılmaz dəqiqlik tələb edir. Plitələrdən biri çox böyük radiuslu sferik lövhə ilə əvəz olundu.
Dinamik Casimir effektinin yoxlanılması daha çox vaxt apardı. 1970-ci illərdə proqnozlaşdırılmış və 2011-ci ilin mayında İsveçin Göteborq şəhərindəki Çalmers Texnologiya Universitetinin alimləri tərəfindən eksperimental olaraq təsdiq edilmişdir. Alimlər superkeçirici mikrodalğalı boşluğun vakuumunda mikrodalğalı fotonlar yaratdılar. Hərəkətli lövhə effektinə nail olmaq üçün elm adamları lövhələr arasındakı məsafəni tənzimləmək üçün dəyişdirilmiş SQUID-dən (superkeçirici kvant müdaxilə cihazı) istifadə ediblər. Nəticələr hələ də elmi araşdırmaya məruz qalır, lakin təsdiq olunarsa, bu, dinamik Casimir effektinin ilk eksperimental təsdiqi olacaq.
Nanometrlərdən tutmuş kosmosa səyahətə qədər
Nanoplitələri kosmosa yaxın işıq sürətində hərəkət etdirən qüvvədən necə keçə bilərik? Dinamik Casimir effekti birbaşa vakuumdan enerji çəkərək kosmik gəmi üçün mühərrik yaratmaq üçün istifadə edilə bilər. Bu ideya kifayət qədər iddialı olsa da, bir gənc misirli artıq onu patentləşdirib.
Casimir effektindən qaynaqlanan başqa bir nəzəriyyə, soxulcan dəliyinin iki boşqab arasındakı kütlə çatışmazlığından qaynaqlanmasıdır. Nəzəri olaraq, bu, işıqdan daha sürətli səyahətə səbəb ola bilər, baxmayaraq ki, bu spekulyativ və ümumiyyətlə nəzəri xarakter daşıyır.
Xoşbəxtlikdən, yeni eksperimentlər aparılır, texnologiya təkmilləşir və ola bilər ki, Casimir effektinin praktiki istifadəsi çox yaxındadır. Xüsusilə, nanotexnologiyada - silisium sxemlərində və Casimir osilatorlarında faydalı ola bilər.
Sehrbaz əvvəlcə tamamilə boş papaqdan canlı dovşan çıxaranda, sonra çiçək açır və sonda sonsuz parlaq lent çıxarmağa başlayanda, ağıllı uşaqlar, təbii ki, həvəslə alqışlayırlar, lakin bilirlər ki, bütün bunlar saf aldatmadır. Onlar çox yaxşı başa düşürlər ki, heç bir şey əldə edə bilməyəcəksiniz. Bütün bu dovşanlar, çiçəklər və lentlər əvvəlcədən bir yerdə gizlədilmişdi və bütün "möcüzə" sehrbazın bacarıqlı əlində idi.
Yaxşı, indi əsl sehrbaz və sehrbazın - təbiətin verdiyi əsl tamaşaya baxaq. Əvvəlcə səhnəni təyin edək. Bütün bu evləri, meşələri, dağları yığışdıraq. Gəlin Günəşi, Yeri və hər cür dumanlığı aradan qaldıraq. Sonra qalan molekullar, atomlar və elementar hissəciklərlə məşğul olacağıq. Eyni zamanda, sahələri ataq: elektromaqnit, qravitasiya və ümumiyyətlə yolumuza gələn hər şey. İndi səhnə qurulub. Qalan şey, yaxşı, tamamilə boş bir papaqdır - mütləq fiziki vakuum. İndi təbiətin çıxış yolu gəlir. Əllərində iki tamamilə neytral düz metal lövhə var, onlar birdən-birə heç bir səbəb olmadan bir-birini cəlb etməyə başlayır. Diqqət yetirin - bu əsl hiylədir! Axı biz bütün sahələri, o cümlədən elektromaqnit və qravitasiya sahələrini əvvəlcədən məhv etdik. Bəs bu qeydlər bir-birini uzaqdan necə hiss etməyi bacarır? Əlbəttə ki, plitələr arasındakı cazibə çox, çox zəifdir, amma var! Biz vurğulayırıq: bu uydurma deyil, bu, eksperimental olaraq müəyyən edilmiş faktdır. Bu təsir Casimir effekti adlanır. Bu hiylənin mahiyyətini başa düşmək üçün gəlin pərdə arxasına baxaq və təbiəti “ifşa etməyə” çalışaq. Bunu etmək üçün yalnız bir neçə addım atmalısınız.
Birinci addım. Burada sadə bir problem var: bir top kütləsi verilir m sərtliyi olan çəkisiz yayda k. Sual budur ki, topun impulsunun və onun koordinatlarının hansı dəyərlərində sistemin enerjisi ən kiçik dəyəri alır və bu dəyər nəyə bərabərdir? Klassik Nyuton mexanikası baxımından cavab aydındır. Əgər V- sürət və x topun koordinatıdır, onda sistemin ümumi mexaniki enerjisi formasına malikdir
| (1.1) |
üçün ixtiyari ilkin dəyərlər təyin etməklə V Və x, biz müəyyən enerji ilə hərəkət əldə edirik. ildən V Və x müstəqil və istədiyiniz kimi seçilə bilər və enerjinin ifadəsi bu kəmiyyətlərin kvadratlarından asılıdır, enerjinin ən kiçik dəyəri sıfırdır. Aydındır ki, sıfır enerjidə sürət və koordinat zamanın başlanğıc anında həm sıfıra bərabər idi, həm də enerjinin saxlanması qanununa görə zamanın bütün sonrakı anlarında sıfıra bərabər qalacaq. Beləliklə, cavabı aldıq: minimum mümkün enerji ilə vəziyyətə uyğun gələn klassik osilatorun vəziyyəti mütləq istirahət vəziyyətidir. Təəssüf ki, biz ancaq sülh arzulayırıq. Təbiətin bu məktəb probleminin həllinə öz baxışı var. O, təbiət, xüsusən də onun sevimli elektronları-pozitronları, müxtəlif atomları və molekulları haqqında danışarkən, onların Nyuton qanunlarına görə deyil, özlərinin - kvant qanunlarına görə yaşadıqlarını bizə elan etdi. Kvant mexanikası bildirir ki, heç bir sistem əsaslı olaraq mütləq istirahət vəziyyətində ola bilməz və kvant mexanikasının bu qənaəti eksperimental olaraq təsdiqlənir!
Bizim sadə işimiz birdən-birə çətinləşdi. İndi hətta zəmin vəziyyətində - minimum enerji ilə dövlət - sistem sadəcə olaraq davamlı hərəkətdə olmalıdır. Topumuz tarazlıq mövqeyi ətrafında həqiqətən titrəyir (və ya “elmi olaraq” dedikləri kimi, dalğalanır). Təbii ki, bu salınımların amplitudası çox, çox kiçikdir. Yalnız təbiət belə kiçik bir şeyi "görə" bilər. İnsan gözü belə kiçik miqyasda baş verən hadisələri ayırd edə bilmir. Buna görə də biz düzgün Nyuton dünyasında sakit və xoşbəxt yaşayırıq və evimiz heç bir “kvant” dalğalanmasını yaşamır. O, yerində kök salıb dayanır.
Ancaq gəlin vəzifəmizə qayıdaq. Gəlin ikinci addımı ataq. Doğrudur, biz bunu necə edək, kvant mexanikasının qaydaları ilə hərəkət edərək enerjinin minimum dəyərini tapmaq üçün nə etməliyik? Kvant mexanikasının birinci qaydası deyir: bizim istədiyimiz kimi topun momentum və koordinatlarının dəyərlərini seçmək hüququmuz yoxdur. Tutaq ki, topun minimal enerji ilə hansı qanunla hərəkət etdiyini birtəhər bilirik. (Kvant mexanikasında belə vəziyyətə əsas vəziyyət deyilir.) Onda tarazlıq mövqeyindən orta-kvadrat sapmasını hesablaya bilərik avg. D x 2 və nəbz orta dəyərinin kök orta kvadrat dəyəri. D səh 2. Çubuk o deməkdir ki, biz bu dəyərləri salınma dövründə orta hesabla alırıq. Kvant mexaniki anlayışlarına görə bu kəmiyyətlər əlaqə ilə bağlıdır
| (1.2) |
burada (h) məşhur Plank sabitidir.
Bu nisbəti xatırlayın! Sadə və birmənalı klassik konstruksiyalar əvəzinə təbiətin bizə bəxş etdiyi müşahidə edilən incəliklərdə böyük rol oynayır. Bərabərsizliyə () qeyri-müəyyənlik münasibəti deyilir.
Beləliklə, ikinci qayda: əsas vəziyyətin enerjisini hesablamaq üçün qeyri-müəyyənlik münasibətindən istifadə etməliyik. Müvafiq hesablamaları aparaq. Tarazlıq mövqeyinə yaxın kiçik salınımları öyrəndiyimiz üçün orta dəyəri təyin edirik. D x 2 ~ x 2, orta. D səh 2 ~ səh 2. Qəribədir ki, təbiət ümumi mexaniki enerjinin ifadəsini dəyişməz buraxmağa qərar verdi. Yeganə şərt odur ki, bu ifadədə impuls və mövqe həmişə qeyri-müəyyənlik əlaqəsi ilə əlaqələndirilməlidir. Bunu fərz etsək səh 2 · x 2 ~ (h) 2 /4, onda ümumi enerji yalnız bir dəyişənin funksiyasıdır. Həqiqətən, bərabərliyi () nəzərə alaraq əldə edirik
| (1.3) |
Əsas vəziyyətin enerjisi funksiyanın ən kiçik dəyərinə bərabərdir E = E(x). Bu dəyəri tapmaq üçün iki müsbət ədədin arifmetik ortası ilə həndəsi ortası arasındakı bərabərsizliyi tətbiq edirik. Bizdə var
|
və bərabərlik o zaman əldə edilir
burada w = ( k/m) 1/2 .
Əlbəttə ki, osilatorun əsas vəziyyətinin enerjisi məsələsinin dəqiq həlli daha mürəkkəbdir və məktəb riyaziyyatının əhatə dairəsindən kənara çıxır. Başqa bir şey maraqlıdır: əldə etdiyimiz nəticə dəqiq nəticə ilə üst-üstə düşür! Yeri gəlmişkən, bu, fizikada sadə təxminlərin düzgün cavaba səbəb olduğu o qədər də nadir hal deyil.
Bu nəticənin sadəliyinə və onu əldə etməyimizin qeyri-adi asanlığına baxmayaraq, yaxşı bir şəkildə çərçivəyə salınmalı və Eynşteyn tənliyinin yanında divara asılmalıdır. E = m 2 ilə. Axı, heç bir şey olmayanda necə olduğu haqqında fikirlərimizi kökündən dəyişir.
Yeri gəlmişkən, biz nədən danışırıq? Başlanğıcda mütləq vakuum haqqında bu qədər uzun və gözəl danışdıqsa, niyə birdən-birə osilator problemini həll etməyə başladıq? Yox, bu hesablamaları əbəs yerə aparmadıq. Unutmayın: vakuum heç bir şeyin tam olmamasıdır. Məhz bunu nəzərə alaraq biz səhnəni Casimir effektini nümayiş etdirmək üçün hazırladıq. Biz hissəcikləri və sahələri diqqətlə çıxardıq, yəni. Kainatın enerjisini azaldır. Həqiqətən də bir hissəcik var idi, Eynşteyn enerjisi var idi mc 2, hissəcik getdi - sistemin ümumi enerjisi bu miqdarda azaldı. Bir elektromaqnit sahəsi var idi (yəni ayrılmaz bir cüt var idi: elektrik Eüstəgəl maqnit B komponentlər) - enerji var idi
|
(burada e 0 və m 0 elektrik və maqnit sabitləridir, E- elektrik gərginliyi və B- maqnit sahələrinin induksiyası).
Elektromaqnit sahəsi yox oldu, bu o deməkdir ki, səhnəmizin - Kainatın ümumi enerjisi yenidən azalıb. Performans üçün hazırlanmış vakuum platformamız, mahiyyətcə və tərifinə görə minimum mümkün enerjiyə malik bir vəziyyətdir. Bizim salınım problemimizdə əsas vəziyyət bu “salınan” vakuumdur. Düzdür, cavabımız qəribə oldu. Boşluğu, bir şeyin yoxluğunu əldə etmək istəyirdilər, amma əldə etdikləri bir növ sarsılmaz titrəmə idi. Onun kvant qanunlarına uyğun yaşadığı və Nyutonun onun fərmanı olmadığı üçün təbiət enerjini (h)w /2 qolunda gizlədib və buna görə də onun “ossilator” papağı heç vaxt boş deyil. Orada nə isə hər an dalğalanır, dəyişir, yaşayır, baxmayaraq ki, biz tamaşaçılar bunu görmürük. Fakt budur ki, oyunun eyni kvant mexaniki qaydalarına görə biz “görə bilərik”, yəni. istənilən kəmiyyətin yalnız orta qiymətini müşahidə edin. Kəşf etdiyimiz titrəmə və ya başqa cür adlandırıldığı kimi, sıfır salınım üçün həm impulsun, həm də koordinatların orta dəyərləri sıfıra bərabərdir. Bir addım sağa, bir addım sola və nəticədə ortada qalırsan. Ümumiyyətlə, heç nə görünmür, amma orada nəsə hərəkət edir.
Təbiət bir dəfə büdrədiyi və aldatdığı üçün ona etibar etmək olmaz. Beləliklə, biz ona elektromaqnit sahəsi ilə oynamağa icazə verdik və sonra bu oyuncağı ondan götürməyə çalışdıq, yəni. minimum enerji ilə dövlət əldə etmək istəyirdi. O, yəqin ki, burada da nəsə gizlətdi! Yeganə sual nə qədərdir? Məlum olub ki, cavab bulaq üzərində top haqqında artıq həll etdiyimiz məsələdə var. x Məktəbdən bilirik ki, əgər sistem harmonik salınımlar həyata keçirirsə, onun enerjisi topun enerjisi üçün yuxarıda yazdığımız formadadır. Sadəcə yadda saxlamaq lazımdır ki, “koordinat” indi tarazlıq mövqeyindən sapmanı təsvir edən dəyişəndir. Məsələn, riyazi sarkaç üçün yerinə ifadəmizə şaquli q-dən sapma bucağını və sürət əvəzinə - D q / D qoymalıyıq. t x. Bunun əvəzinə salınan dövrə üçün ödənişlə əvəz etmək lazımdır Q , və sürət əvəzinə - cari j k, m.
. Təbii ki, vəziyyətdən asılı olaraq sabitlərin mənası da dəyişəcək.
|
Top məsələsində, əgər impuls böyükdürsə, deməli koordinat daha kiçikdir və onlar sürüşmə ilə salınırlar. Eyni şey elektromaqnit dalğasında baş verir: daha çox maqnit komponenti - daha az elektrik və buna görə də onlar bir-birinə axır. Bu, yaydakı topa çox bənzəyir və bunun yerinə dərhal mümkün olardı x Və səh yaz E Və B. Belə salınımların tezliyi w elektromaqnit dalğa uzunluğu l ilə məşhur əlaqə ilə bağlıdır.
|
Görünür, təbiətdə belə elementar osilatorlar yoxdur, çünki mövcud olmasına icazə verilən dalğa uzunluqları heç bir şəkildə məhdudlaşdırılmır. Onlar kilometr uzunluğunda ola bilər (radio dalğaları) və ya daha uzun ola bilər. Komplektdə kristal qəfəsdəki interstisial məsafəyə görə (rentgen şüaları) çox qısa olanlar da var və çox, çox qısa olanlar da var. Hər bir elektromaqnit dalğasından, yəni. hər bir osilatordan özünəməxsus salınım tezliyi w, təbiət, artıq gördüyümüz kimi, enerjini (h)w /2 gizlətdi. Eyni zamanda, o, çox şey yığdı. Müşahidə oluna bilən və hiss olunan sahələr yoxa çıxdıqda “təmizləmə”dən sonra qalan ümumi enerji cəmi ilə ifadə edilir.
|
Üstəlik, toplama bütün dalğa uzunluqlarında aparılmalıdır. Bu məbləğin sonsuzluğa bərabər olduğuna əmin ola bilərsiniz!
Bu enerji ehtiyatıdır! Bununla müqayisədə Xəzər dənizində və ya Ərəb Əmirliyində neftdə yığılan enerjiyə bərabər olan bir növ xırda şeydir. Nüvə və termonüvə enerjisi isə bu ehtiyatla rəqabət apara bilməz. Sonsuzluq sonsuzluqdur. Bütün bunların belə olduğunu düşünürsənsə, dərindən yanılırsınız. Kvant nöqteyi-nəzərindən istənilən hissəcik həm də dalğadır. Əgər belədirsə, onda hər bir hissəcik öz sahəsi, öz vibrasiyası ilə əlaqələndirilir və hər birindən (h)w /2-ə bərabər enerji də gizlədə bilər. Bu, artıq papaq deyil, hər bir elementar zərrəciyin qaynadığı, titrədiyi, göründüyü və yenidən yoxa çıxdığı bir növ nəhəng qazandır (hətta hələ də heç nə bilmədiyimiz) və burada biz yalnız fotonları müzakirə etdik. Prinsipcə, bu zərrəcikləri hətta bu qazandan gün işığına çıxarıb “real” etmək olar, yəni. müşahidə oluna bilən.
Baldanın göldəki şeytanları müdrik olmağa öyrətmək üçün mütərəqqi metodundan istifadə edərək, onların vakuum yoxluğu pozula bilər. Sadəcə bu şlyapaya yaxşı bir çatlaq vermək lazımdır (elmi olaraq səslənir - sistemi kifayət qədər enerji ilə təmin etmək üçün) və hissəciklər, sanki bir kornukopiyadan düşəcək. Casimir effektini izah etmək üçün son, çox kiçik addımı atmalıyıq. Yalnız rezonatorun nə olduğunu xatırlamaq lazımdır. Ümumiyyətlə, bu, bütün dalğalara cavab verməyən eyni cihazdır, ancaq uyğun, istənilən ölçüdə dalğa uzunluğu olanlara. Metal lövhələri vakuuma daxil etməklə təbiət rezonator yaratdı. İndi vakuum həyəcanlandı (yenidən Balda effekti!). Tam sayda yarım dalğaların plitələr arasındakı boşluğa sığmadığı elektromaqnit dalğalarının sıfır salınımları çox narahat idi. Səbəb odur ki, məktəbinizin fizika kursundan bildiyiniz kimi, elektromaqnit sahəsi metala nüfuz etmir. Nəticədə, düyünü boşqaba dəyməyən dalğalar oradan xaric olur. İndi vakuum enerjisi dəyişdi. Yalnız l = olan yarılar a/n, Harada n- ixtiyari tam ədəd, a- plitələr arasındakı məsafə.
Beləliklə, boşqablarla birlikdə vakuumun ümumi enerjisi indi bərabərdir
Təbii ki, adi nöqteyi-nəzərdən sonsuzluğu sonsuzluqdan çıxarmaq tamamilə absurd işdir. Bununla belə, fiziklərin bacarıqlı olduqları şey sonsuzlarla arifmetik əməliyyatlar yerinə yetirmək bacarığıdır. Nəzəri fizik üçün, hətta yeni başlayanlar üçün sonsuzluğu sonsuzluqdan çıxarmaq və eyni zamanda sonlu bir ədəd əldə etmək (müşahidə edilə bilən və eksperimental olaraq yoxlanıla bilən) bir tort parçasıdır. Problemimizin cavabı formadadır
|
Bu nəticəyə nail olmaq üsulu, sehrli fəndlərə bənzəsə də, təəccüblü dərəcədə sadədir. Sonsuzluqların formal manipulyasiyasını başa düşmək üçün ilk növbədə məbləğlər sonlu edilməlidir. Fərz edək ki, çox qısa dalğalar yoxdur, yəni. l üzərində cəmdə biz özümüzü yalnız l > l 0 ilə məhdudlaşdıracağıq. Müvafiq olaraq, ümumilikdə nözümü məhdudlaşdırmalı olacaq n < a/l 0. İndi fərqi hesablayaq. O, l 0 kəsmə funksiyasına çevriləcək. l 0-ın daha kiçik və kiçik qiymətlərini götürsək və bu funksiyanın qrafikini çəksək, onun l 0 ® 0 kimi sonlu həddə meylli olduğu ortaya çıxır. Yenidən normallaşdırma və ya nizamlama adlanan bu prosedur yuxarıda qeyd olunan nəticəyə gətirib çıxarır.
Əldə edilən nəticə “bir ölçülü” elektrodinamikanın nəticəsidir. Dalğalarımız yalnız bir istiqamətdə - plitələrə perpendikulyar şəkildə yayıla bilərdi. Əslində, plitələr düz olsa da, problem üç ölçülüdür. Elektromaqnit dalğaları (sıfır nöqtəli rəqslər şəklində belə) üç istiqamətdə yayıla bilər. Bu, məsələnin mahiyyətini dəyişmir;
3D probleminin son cavabı belə görünür:
|
Harada S- boşqab sahəsi.
İndi bu ifadə ilə nə etmək lazımdır? Yaxşı, birincisi, plitələr bir-birinə yaxınlaşdıqda (azaldıqda) aydındır a), D E azalır (mənfi işarəsi!). Nəticə etibarilə, plitələr nə qədər yaxın olsa, enerji baxımından bir o qədər əlverişlidir. Doqquzuncu sinfi xatırlayın: potensial enerji U hündürlükdə qravitasiya sahəsində daş x bərabərdir mgx. Daşı aşağı salın və onun enerjisi azalacaq. Ancaq bilirsiniz ki, Yer daşları özünə çəkir! Nəticə etibarilə, cisimlər bir-birinə yaxınlaşdıqca potensial enerjinin azalması onların qarşılıqlı cazibəsini göstərir. Bu qüvvə enerjidən necə çıxarıla bilər? Bəli, çox sadə. “Daş” problemimiz üçün gəlin fərqi düzəldək
Mənfi işarə qüvvənin vektor kəmiyyəti olması səbəbindən meydana çıxdı və bu qaydaya əsasən qüvvənin absis oxuna proyeksiyasını tapırıq. "Daş" problemində bu düsturdan istifadə edərək əldə edəcəyik - mq, yəni. olduğu kimi - qüvvə aşağıya, Yerə doğru yönəldilir.
Bu prosedurdan istifadə edərək, plitələrin cəlb olunduğu qüvvəni tapmaq asandır:
|
Belə bir cazibə həqiqətən eksperimental olaraq aşkar edilmişdir. Hiylələr etməyi bilənlər eksperimentatorlardır! Onlar öz mərhələlərini bütün qarşılıqlı təsirlərdən təmizləməyi və özlüyündə möcüzə kimi görünən mütləq vakuumla əlaqəli təsirləri hiss etməyi bacardılar. üçün S= 1 sm 2, a= 0,5 µm, cəlbedici qüvvə 2·10 - 6 N idi ki, bu da verilmiş nəzəri düsturla yaxşı uyğunlaşır.
Diqqət yetirin: güc ifadəsinə ümumiyyətlə elektromaqnit qarşılıqlı təsir sabiti daxil deyil (yoxdur e- elektron yükü) və bu, metal və onunla qarşılıqlı əlaqədə olan elektromaqnit sahəsi haqqında danışmağımıza baxmayaraq. Məhz bu fakt bizə Kasimir effektinə sərhəd şərtlərinə (plitələrə) görə vakuum qütbləşməsinin təsiri kimi baxmağa imkan verir. Burada xarici elektrik sahəsində dielektrik qütbləşməsi ilə tam bir bənzətmə var. Hətta vakuum e-nin dielektrik davamlılığını təqdim etməklə bu hadisəni təsvir etmək olar. Sadəcə onu SI sistemindəki bütün elektrik qanunlarına daxil edilmiş və yalnız yük vahidini təyin etməkdə çaşqınlığımız səbəbindən yaranan e 0 ilə qarışdırmayın. Bizim vakuum e, vakuumun xarici təsirlərə reaksiyasını təsvir edən əsl fiziki xüsusiyyətdir.
İndi sona çatdıq. Gözlənildiyi kimi, təbiət eyni sehrbaz və aldadıcıdır. Biz dünyəvi hikmətin düzgünlüyünə bir daha əmin olduq ki, əgər heç nə yoxdursa, deməli, heç nə də yoxdur. Ancaq bizim vəzifəmiz təbiəti əl ilə tutmaq deyil, hər şeyin necə işlədiyini anlamaq idi. Həmişə olduğu kimi, təbiət hadisələrini öyrənərkən belə bir sual yaranır: bu biliklərdən bəhrələnmək mümkündürmü? Bundan bir şəkildə istifadə etmək mümkündürmü? Axı enerji, harada saxlanmasından asılı olmayaraq, enerjidir və sadəcə olaraq iş görməlidir. Əgər biz təkcə neftdə deyil, həm də atom nüvəsində yığılan enerjini çıxarmağı öyrənmişiksə, niyə onu dibsiz vakuum quyularından çəkməyə çalışmayaq. Həqiqətən də belə təcrübələr aparılır. Siz, əlbəttə ki, başa düşürsünüz ki, bu halda söhbət soba və ya reaktor kimi praktiki cihazların yaradılmasından deyil, bu enerjidən istifadənin fundamental imkanlarının araşdırılmasından gedir.
Nəticə əvəzinə
Vakuumun xüsusiyyətlərinin təsvir edilənlərə bənzər təsirlərlə məhdudlaşdığına inanan hər kəs dərindən yanılır. Sonsuz və hər yerdə mövcud olan vakuum həm mikrokosmosda, həm də Kainatın işlərində hadisələrə daim müdaxilə edir. Mikrokosmosda müşahidə olunan hissəciklər sadəcə olaraq sıfır salınımlardan ibarət bu qaynayan qazanda yaşamağa məcbur olurlar. Prinsipcə, bu vakuum yoxluğunda bütün elementar hissəcikləri və qeyri-məhdud miqdarda tapmaq mümkün olduğunu artıq müzakirə etdik. Əgər verilmiş hissəcikdə antihissəcik varsa (elektronun pozitronu var), onda onların vakuum həyatı birlikdə davam edir. Onlar üçün sıfır salınımlar ondan ibarətdir ki, hissəcik-antihissəcik cütü yaranır və sonra hissəcik və antihissəcik qarşılıqlı şəkildə məhv edilir - məhv edilir. Beləliklə, məlum olur ki, onlar mövcud görünürlər, lakin mövcud deyillər. Bu vəziyyətdə olan hissəciklər virtual adlanır.
İndi təsəvvür edin: bizim müşahidə edilə bilən real hissəcik uçur (qoy elektron olsun) və yaxınlıqda - gurgle-gurgle - virtual cütlər ya yaranacaq, ya da dağılacaq. Tez-tez olur ki, təbiət virtual hissəcikləri real olanlarla qarışdırır - axı, hissəciklər hamısı eynidir və bir elektron digərindən fərqlənə bilməz. Beləliklə, elektronunuzun yaxınlığında virtual cüt yarandı, lakin antihissəcik virtual partnyorunu qarışdırdı və həqiqi hissəciklə məhv oldu. Başa düşürsən ki, virtual elektronun real hissəcik rolunu almaqdan başqa çarəsi yoxdur. Nəticədə, gözümüzün önündə ağlasığmaz bir şey baş verir: bir yerdə real hissəcik var idi və birdən başqa yerdə bitdi. Bir növ teleportasiya. Atomdakı elektron orbitinin bu “citteri” nəzəri olaraq proqnozlaşdırıldı və eksperimental olaraq təsdiq edildi (Quzu sürüşməsi). Vakuumda saxlanılan sonsuz enerji ona kosmoloji ədədlərlə rəqabət aparmağa imkan verdiyi halda, niyə müxtəlif atom xırdalıqlarından danışırıq? Çox güman ki, Kainatın təkamülünü təyin edən və təyin edən boşluqdur və belə fərziyyələr də ifadə edilmişdir. Yalnız qeyri-adi xassələri ilə vakuumdan istifadə qara dəlikləri cilovlaya və onların fiziki olmayan riyazi nöqtəyə qədər kiçilməsinin qarşısını ala bilər. Deməli, boşluqda görüləsi çox iş var və buna görə də (Ya.B.Zeldoviçə istinadən) iddia etmək olar ki, “astronomik problemlərlə məşğul olan nəzəriyyəçilər üçün işsizlik təhlükəsi yoxdur”.
Bioqrafik məlumat:
Casimir Hendrik- Hollandiyalı fiziki, Hollandiya Elmlər Akademiyasının üzvü (1964), Elmlər Akademiyasının prezidenti (1973).
O, Kopenhagendə Bohrda, Sürixdə Paulidə çalışıb. Kvant mexanikası, nüvə fizikası, aşağı temperatur fizikası, superkeçiricilik, termodinamika, maqnetizm, tətbiqi riyaziyyat sahələrində işləyir.
1934-cü ildə K.Qorterlə birlikdə superkeçiriciliyin fenomenoloji nəzəriyyəsini (Kazimir-Qorter modeli) işləyib hazırladı. 1936-cı ildə o, atom və molekullarda nüvənin elektrik və maqnit sahələri ilə qarşılıqlı təsirinin kvant nəzəriyyəsini qurdu. 1942-ci ildə o, maqnit oktupol qarşılıqlı təsirlərinin ətraflı nəzəriyyəsini işləyib hazırladı. Du Pré ilə birlikdə o, 1938-ci ildə spin temperaturu konsepsiyasını təqdim edərək, spin sərbəstlik dərəcələrini ayrıca termodinamik alt sistemə ayırdı.
Ədəbiyyat
1. V.V. Mostepanenko, N.N. Casimir effekti və onun tətbiqi. Moskva, Energoizdat, 1990.
3. S. Hawking. Böyük Partlayışdan Qara Dəliklərə: Zamanın Qısa Tarixi. M., Mir, 1990.
V. MOSTEPANENKO
Fizika-riyaziyyat elmləri doktoru (Leninqrad)
Müasir fizika baxımından vakuum heç də boşluq deyil. Kvant nəzəriyyəsi göstərdi ki, vakuum son dərəcə dinamik, davamlı dəyişən bir maddədir, doğulan və dərhal ölən virtual elementar hissəciklərin qaynar mayesi kimi bir şeydir. Başqa sözlə, kvant nəzəriyyəsi nöqteyi-nəzərindən vakuum sadəcə “heç nə” deyil, hətta heç bir real hissəcik olmasa belə, sıfır nöqtəli salınımlar dənizi hesab edilə bilər. kosmosda bir real kvant - foton deyil, elektrik və maqnit sahələri sıfır rəqslər həyata keçirir (eynini digər kvantlanmış sahələr haqqında da demək olar). Və belə çıxır ki, vakuumun sıfır nöqtəli vibrasiyaları bir sıra diqqətəlayiq fiziki təsirlərdə özünü çox aydın şəkildə büruzə verir, onlardan biri 1948-ci ildə holland fiziki Hendrik Casimir tərəfindən proqnozlaşdırılıb və onun adını daşıyır. Son illərdə Casimir effektinin tətbiq dairəsi çox genişləndi və demək olar ki, bütün fizikanı əhatə etdi - molekullararası qarşılıqlı təsirlər nəzəriyyəsindən tutmuş hissəciklər fizikası və kosmologiyaya qədər. Bu təsirin xüsusilə nəzərə çarpan rol oynamağa başladığı ən təsirli problemlər haqqında danışacağıq.
1948-ci ildə Casimir müəyyən məsafədə bir-birinə paralel vakuumda yerləşən iki yastı metal neytral - yüklənməmiş lövhələri araşdırdı. Elektrik sahəsi metalın dərinliyinə nüfuz etmədiyi üçün plitələr boyunca yönəldilmiş sıfır nöqtəli salınımların elektrik komponenti itməlidir. Bu o deməkdir ki, Kasimir əsaslandırırdı ki, vakuum dənizi müəyyən təhriflərə məruz qalmalıdır, baxmayaraq ki, onun enerjisi sonsuz idi və belə də qalacaq. Yenə də, Casimir ilk fərq etdiyi kimi, bu sonsuzluğu orijinaldan (plitələri təqdim etməzdən əvvəl) çıxarsanız, boşqablar arasında olan bir qədər sonlu enerji əldə edəcəksiniz. Bu enerji mənfidir və buna görə də (mexanika qaydalarına görə) plitələrin bir-birinə cəlb edilməsinə səbəb olmalıdır. Vakuum və ya Kazimir adlanan bu cür cəlbedici qüvvənin qeyri-adiliyi ondan ibarətdir ki, o, kütlələrdən, yüklərdən və ya fiziklər tərəfindən birləşmə sabitləri adlandırılan digər oxşar sabitlərdən asılı deyil, yalnız lövhələr arasındakı məsafə ilə müəyyən edilir. Belə bir qüvvə, o dövrün bir çox nəzəriyyəçilərinin nöqteyi-nəzərindən, bir növ ağlasığmaz ekzotik kimi görünürdü, lakin 10 il sonra, 1958-ci ildə Casimir cazibəsi eksperimental olaraq və nəzəriyyənin proqnozlarına tam uyğun olaraq kəşf edildi.
Əvvəlcə Casimirin ağlına elektronun sirli sabitliyini vakuum qüvvələrinin təsiri ilə izah etməyə çalışmaq ağlına gəldi. Axı elektron bir elektrik yükü daşıyır və onun müxtəlif hissələri bir-birini itələyir. Onun dağılmasının qarşısını alan vakuum qüvvələri deyilmi? Bununla belə, cəlbedici fikir "işləmədi" - sferanın Casimir enerjisi müsbət oldu, bu cazibə deyil, itələmə qüvvələrinə uyğundur. (Daha sonra məlum oldu ki, Casimir effektinin zərrəciklər fizikasında rolu daha mürəkkəbdir.)
Vakuum enerjiləri və qüvvələr təkcə məhdud həcmlərdə deyil, həm də topoloji cəhətdən qeyri-Evklid fəzalarında, yəni tək-tək və davamlı çevrilmə yolu ilə Evklid enerjilərinə çevrilə bilməyənlərdə yaranır. Məsələn, sərhədsiz müstəvidə Casimir effekti yoxdur, ancaq kürənin səthində var. Məhz buna görə də Casimir effekti, məlum olduğu kimi, kainatın sonlu və ya sonsuz olması sualı ilə birbaşa bağlıdır, bəşəriyyət tarixində ən maraqlı olanlardan biridir. Bütövlükdə Kainat elmi - müasir kosmologiya Eynşteynin ümumi nisbilik nəzəriyyəsinə əsaslanır və üç ehtimala imkan verir (bax: “Science and Life” No. 2...4, 1987).
Kainatdakı maddənin orta sıxlığı kritik dəyərdən 10 –92 q/sm 3 azdırsa, orta sıxlıq kritik dəyərə bərabərdirsə, dünyamızın məkanı inqilab hiperboloidinin səthinə bənzəyir; , onda biz adi düz məkanda yaşayırıq. Yeri gəlmişkən, Kainatın hazırda məşhur olan inflyasiya modelləri nöqteyi-nəzərindən daha çox üstünlük verən məhz bu ehtimaldır (bax: “Elm və Həyat” № 8, 1985). Əgər orta sıxlıq kritikdən çox olarsa, onda Kainatın məkanı kürənin səthinə bənzəyir və onun həcmi sonlu olur. Belə görünür ki, Kainatın sonluğu ilə bağlı müqəddəs sual nəhayət aydın cavab alır. Ancaq vəziyyətin o qədər də sadə olmadığı ortaya çıxır.
Həqiqətən, maddənin orta sıxlığı yalnız çox təqribən məlumdur və onun dəyərləri kritikdən çox da fərqlənmir və onun artıb-azalması belə aydın deyil. Bundan əlavə, sonsuzluq problemi ilə məşğul olan bəzi filosofların vurğuladığı kimi, orta sıxlığa dair müşahidə məlumatları həmişə sonlu bir həcmə istinad edir və buna görə də yalnız onlara əsaslanaraq, prinsipcə, sonsuzluq haqqında nəticə çıxarmaq mümkün deyil. Kainat. Beləliklə, bu filosoflar mübahisə edirlər ki, məsələnin özü fizika sahəsindən kənarda qalır və fəlsəfi mülahizələr əsasında həll edilməlidir.
Fizikanın kosmoloji səriştəsini müdafiə etmək üçün Casimir effekti burada ortaya çıxdı. Əslində, biz hiperbolik və ya düz dünyada yaşayırıqsa, onda Casimir effekti yoxdur, ancaq sferik bir dünyada varsa, o, özünü göstərməlidir. Müvafiq müsbət vakuum enerji sıxlığı çox kiçikdir, lakin prinsipcə onu yerli ölçmələrdə qeyd etmək olar və onların nəticələrinə əsasən Kainatın strukturu bütövlükdə yenidən qurula bilər - xüsusən də sonluq problemi - sonsuzluq. həll olundu. Casimir effekti, bu yaxınlarda aşkar edildiyi kimi, kosmologiyanın digər problemlərində, məsələn, inflyasiya mexanizmlərini müzakirə edərkən və ya məsələn, İ.D. Novikov və K. Torn (bax: “Science and Life” No 12, 1988).
On ildən artıqdır ki, nəzəriyyəçilər adronların, yəni güclü qarşılıqlı təsir göstərən hissəciklərin quruluşu problemi ilə əlaqədar Kasimir effektini müzakirə edirlər. Güclü qarşılıqlı təsirlər nəzəriyyəsi çərçivəsində - kvant xromodinamikası - adronlar sadə şəkildə vakuumdakı qabarcıqlar şəklində təqdim edilə bilər ("çanta" adlanır), içərisində kvarklar və qluonlar var (bax "Elm və həyat" № 10 , 1987). Kvarkların və qluonların kvantlanmış sahələrinin sıfır nöqtəli rəqsləri çantanın Casimir enerjisinin meydana çıxmasına gətirib çıxarır ki, bu da onun ümumi enerjisinin təxminən on faizini təşkil edir. Torbanın radiusunu, hadronun kütləsini və təcrübədə ölçülən digər xüsusiyyətlərini təyin edərkən Casimir enerjisinin töhfəsi də nəzərə alınmalıdır.
Casimir effektinin digər maraqlı tətbiqi Kaluza-Klein tipli çoxölçülü modellərə aiddir. Bu cür modellərə görə, məkan-zamanımızın “əsl” ölçüsü dörddən, məsələn, 10, 11 və ya 26-dan böyükdür. Bununla belə, əlavə ölçülər (bizim dörd və ya üç məkan və zamandan başqa) qapalıdır və ya necə deyərlər. , çox kiçik məsafələrdə - 10-33 santimetrə qədər sıxlaşdırılır, buna görə də biz onları görmürük. Casimir effektinin zəmanət verdiyi əlavə ölçülərin bu izolyasiyasıdır.
Nəhayət, Casimir qüvvələri bu gün vahid ölçü nəzəriyyələri, supersimmetriya və superqravitasiya (skalyar aksion, dilaton, arion, spinli antigraviton və bir çox başqaları) çərçivəsində proqnozlaşdırılan hipotetik işığın və ya ümumiyyətlə kütləsiz hissəciklərin parametrlərinə son dərəcə həssas oldu. Belə hissəcikləri hətta ən güclü sürətləndiricilərdən istifadə etməklə aşkar etmək mümkün deyil, çünki onlar neytraldırlar və demək olar ki, onunla qarşılıqlı əlaqə yaratmadan nəhəng qalınlıqlara nüfuz edə bilirlər. Məhz bu hissəciklər məsafə ilə - uzaq məsafəli qüvvələrlə yavaş-yavaş azalan yeni qüvvələrin meydana gəlməsinə səbəb olur (E.B. Aleksandrovun "Beşinci qüvvələrin axtarışında" məqaləsinə baxın) fonunda qeyd edilə bilər. Casimir qüvvələri. Analoji işlər fizika-riyaziyyat elmləri doktoru V.İ.-nin rəhbərliyi ilə Moskva Dövlət Universitetində aparılır. Panov atom qüvvəsi mikroskopundan istifadə edərək (bax: “Elm və Həyat” № 8, 1989). Buna görə də, yaxın gələcəkdə Kasimir effektinin fundamental fiziki nəzəriyyələrin proqnozları üçün yeni bir sınaq olacağı mümkündür.
Məlumat mənbələri:
- Mostepanenko V.M., Trunov N.N. Casimir effekti və onun tətbiqi. “Fizika elmlərində irəliləyişlər” c. 156, №. 3, səh. 385...426. 1988.
- Mostepanenko L.M., Mostepanenko V.M. Fizika və fəlsəfədə vakuum anlayışı. “Təbiət”, No3, səh. 88...95, 1985-ci il.
- Qrib A.A., Mamaev S.G., Mostepanenko V.M. Güclü sahələrdə vakuum kvant effektləri. M., "Energoatomizdat", 1988.
Elm və həyat. 1989. № 12.
Həmçinin baxın:
- Etkin V.A. Spin sistemlərinin oriyentasiya qarşılıqlı əlaqəsi haqqında. , 2002.
- Rıkov A.V.
Kvant mexanikası proqnozlaşdırır ki, cisimlər arasında nanometr düzənliyindəki məsafələrdə cəlbedici qüvvə olmalıdır. Bu fenomen Casimir effekti adlanır və onun mövcudluğu eksperimental olaraq təsdiq edilmişdir. Bununla belə, müəyyən şərtlərdə belə tərəzilərdə cisimlərin cəlb edilməsi onların itələnməsi ilə əvəz edilə bilər. Bu zaman ümumiləşdirilmiş Casimir effekti və ya Casimir-Lifshitz effekti müşahidə olunur. Bir qrup amerikalı alim ilk dəfə olaraq böyük (nandünya standartları ilə) məsafələrdə cisimlər arasında belə itələmə gücünü ölçməyə müvəffəq olub və əldə edilən məlumatlar nəzəriyyə ilə yaxşı uyğunlaşır. Təcrübənin nəticələri, ehtimal ki, hissələr arasında çox az sürtünmə qüvvəsi olan nano- və mikro-mexanizmlər yaratmaq üçün istifadə edilə bilər.
Belə çıxır ki, cisimlərin havaya qalxması təkcə superkeçiricilik (daha doğrusu, superkeçiricilərin ideal diamaqnetizmi və ya Meysner effekti) hesabına deyil, həm də sırf kvant effektləri hesabına mümkündür. Jurnalın son saylarından birinin üz qabığı Təbiət silisium müstəvisi üzərində uçan qızıl kürə və eyni kürə, lakin artıq qızıl müstəviyə “ilişib” təsvir edilən rəsm ilə bəzədilib (bax. Şəkil 1). “Kvant levitasiyası” rəqəmin başlığını oxuyur və o, amerikalı alimlərin Measured uzun mənzilli itələyici Casimir-Lifshitz qüvvələrinin məqaləsinə həsr olunub (məqaləyə ictimai domendə baxmaq olar, PDF, 248 KB). Maraqlıdır ki, bu məqalənin müəlliflərindən biri otaq temperaturunda işləyən terahers lazerini hazırlayan qrupun lideri Federiko Kapassodur (Elementlərin oxucuları onunla otaq temperaturunda işləyən Terahertz lazeri məqaləsindən tanışdırlar).
"Kvant levitasiyası" ifadəsi olduqca qorxulu səslənsə də, bu fenomeni başa düşmək o qədər də çətin deyil. "Kvant levitasiyası" nın əsası Hollandiyalı nəzəri fiziki Hendrik Casimir tərəfindən 60 ildən çox əvvəl proqnozlaşdırılan Casimir effektidir (həmçinin bax). ("Elementlər" artıq Casimir effekti haqqında yazmışdır, bax: Mikromexaniki cihazlar üçün Casimir effektinin hesablamalarında səhv aşkar edilmişdir, 28/12/2005; Casimir effekti simmetrik cisimlərin itməsinə səbəb ola bilməz, 10/24 /2006).
Kolloid məhlulları tədqiq edərkən Casimir belə bir nəticəyə gəldi ki, çox yaxın məsafədə yerləşən iki paralel hamar müstəvi arasında yalnız vakuumda kvant effektləri hesabına cəlbedici qüvvə yaranmalıdır. Burada vakuum dedikdə, heç bir şeyin olmadığı boşluq deyil, daim doğulan və yoxa çıxan virtual hissəciklərin, xüsusən də elektromaqnit sahəsinin fotonlarının “okeanı” nəzərdə tutulur. Bu hissəciklər virtual olsalar da, hamar paralel səthlərə təzyiq göstərirlər. Belə ki, məlum olub ki, bu səthlər nə qədər yaxın yerləşsələr, aralarındakı boşluqda bir o qədər az virtual foton yaranır. Kənardan baxsaq, fotonların doğulması heç nə ilə məhdudlaşmır. Məlum olur ki, çöldəki fotonların sayı səthlər arasındakı fotonların sayından çoxdur. Bu təzyiq bərabərsizliyinə görə sonda cazibə qüvvəsini əldə edirik.
Casimir göstərdi ki, sıfır temperaturda yaranan cəlbedici qüvvə qarşılıqlı təsir edən təyyarələrin sahəsi ilə düz mütənasibdir və aralarındakı məsafənin dördüncü qüvvəsi ilə tərs mütənasibdir (cazibə qüvvəsi və elektrostatik qarşılıqlı təsir məsafənin kvadratı ilə azalır). Hamısı budur. Əsas sabitlər (Plank sabiti və işıq sürəti) istisna olmaqla, Casimir cazibə düsturuna başqa kəmiyyətlər daxil deyil.
Bu qüvvə nə qədər əhəmiyyətlidir? Casimir effektinə görə aralarındakı məsafə 10 nm olan iki lövhənin atmosfer təzyiqi ilə müqayisə edilə bilən təzyiq yaradacağını hesablamaq olar. Ancaq cisimlər arasındakı məsafəni 10 dəfə artırsaq, cazibə qüvvəsini 10.000 dəfə zəiflədirik. Casimir cazibəsi yalnız nanometr miqyasında özünü göstərir və müxtəlif nano və mikromexaniki cihazları dizayn edərkən bu, çox arzuolunmazdır (Casimir effektinə görə hissələr "bir-birinə yapışacaq").
Bu fenomenin kəşfindən 8 il sonra, Yevgeni Lifşits aşkar etdi ki, Kazimir effekti əslində van der Waals və ya molekullararası qüvvələrin təzahürüdür və üstəlik, səthlər arasındakı boşluq xüsusi seçilmiş maddə ilə doldurularsa, onda səthlər arasındakı cazibə öz yerini itələyə bilər. Casimir effektinin bu ümumiləşdirilməsinə “Casimir-Lifshitz effekti” deyilir.
Keyfiyyətcə, iki cismin cazibədən itələməsinə keçid belə görünür. Fərz edək ki, keçiriciliyi ε 1 və ε 2 olan səthlərin Casimir qarşılıqlı təsiri vakuumda deyil (bu, prinsipcə, dielektrik hesab edilə bilər, lakin keçiriciliyi 1-ə bərabərdir), lakin keçiriciliyi ε olan bir mühitdə baş verir. 3. Əgər -(ε 1 - ε 3)(ε 2 - ε 3) ifadəsi sıfırdan kiçikdirsə, onda səthlər arasında cazibə müşahidə edirik. Əks halda itələmə baş verəcək. Bu vəziyyət, məsələn, ε 1 > ε 3 > ε 2 münasibəti təmin edildikdə həyata keçirilir.
Casimir effektinin eksperimental təsdiqi dəfələrlə həyata keçirilmişdir - cisimlər arasındakı cazibə qüvvəsi nəzəriyyə ilə demək olar ki, 100% uyğun gəlir (iki paralel təyyarə, həmçinin bir top və bir təyyarə olan bir sistemdə). Bununla belə, Casimir-Lifshitz effektinin eksperimental təsdiqi ilə bu günə qədər heç bir nəşr ortaya çıxmamışdır. Buna görə də iş müzakirə edildi Təbiət belə bir effekti eksperimental olaraq sınaqdan keçirən ilk şəxsdir (ən azı müəlliflər bu cür məqalələrdən xəbərsiz olduqlarını diqqətlə iddia edirlər).
Beləliklə, Casimir-Lifshitz effekti nəzəriyyəsinin təcrübə ilə nə qədər uyğun olduğunu başa düşmək üçün alimlər əvvəlcə təxminən 40 mikron diametrli, qızıl plyonka ilə örtülmüş polistirol topunun sabit silikon vafli ilə qarşılıqlı təsirini öyrəndilər (bax. Şəkil 2), sonra eyni topun qızıl lövhə ilə qarşılıqlı əlaqəsi.
Topla boşqab arasındakı boşluq maye - bromobenzolla dolduruldu. Atom güc mikroskopunun konsoluna bərkidilmiş topun hərəkəti superlüminessent diod (demək olar ki, lazer) sistemi və xüsusi detektordan istifadə etməklə idarə olunurdu (bax. Şəkil 3).
Bu maddələr dəstinin qeyri-adi təbiəti onunla izah olunur ki, tədqiqat müəlliflərinin məqsədi cisimlərin itələnməsini dəqiq müşahidə etmək idi və bunun üçün dielektrik sabitləri elə seçmək lazım idi ki, ifadə - (ε 1 - ε 3)(ε 2 - ε 3) sıfırdan böyük idi. Yaxşı, yuxarıda qeyd olunan qızılın topa səpilməsi "adi" Casimir effektini müşahidə etmək üçün lazımdır: ε 1 = ε 2 olduqda və dielektrik sabit nisbəti müsbət olduqda, top təyyarəyə çəkilir.
“Top-silikon vafli” və “top-qızıl vafli” sistemlərində fəaliyyət göstərən Casimir-Lifshitz qüvvəsinin ölçülməsinin nəticələri Şəkildə göstərilmişdir. 4. Qızıl top və silikon vafli arasında itələmə qüvvəsinin dəyişməsi Şəkildə göstərilmişdir. 4a mavi əyridir və eyni top arasındakı cazibə qüvvəsinin dəyişməsi, lakin bu dəfə qızıl lövhə ilə sarı əyridir.
Gözlənildiyi kimi, Casimir-Lifshitz gücünün səhv hüdudları daxilində ölçmələri nəzəriyyəyə uyğundur: cazibə qüvvəsi, itələyici qüvvə kimi, cisimlər arasındakı məsafənin artması ilə sürətlə azalır. Bu, Şəkildə qrafiklər şəklində əks olunur. Casimir-Lifshitz nəzəriyyəsinə uyğun olaraq hesablanmış eyni rəngli müvafiq bərk xətlərin hər iki tərəfində bərabər paylanmış mavi və sarı kvadratlar və dairələr ilə bir sıra eksperimental məlumatların göstərildiyi 4b və 4c.
Sual yarana bilər: niyə iki paralel təyyarə üçün ölçmələr aparılmadı? Məsələ burasındadır ki, iki böyük təyyarəni nanometr məsafədə paralel etmək texnoloji cəhətdən çətindir.
Topla təyyarə arasında Casimir-Lifshitz qüvvəsinin ölçülməsi prosesində eksperimentçilər daha bir problemlə qarşılaşdılar. Sistem statik deyil, çünki itələmə və ya cazibə səbəbindən top mayedə müəyyən bir sürətlə hərəkət edir, bu, qaçılmaz olaraq topun hərəkət istiqamətindən əks istiqamətə yönəldilmiş bir viskoz sürtünmə qüvvəsinin yaranacağını bildirir. onun hərəkət sürəti ilə mütənasibdir. Məlum olub ki, özlü sürtünmə qüvvəsi Casimir-Lifshitz effektinin “təmiz” ölçülməsinə mane olur, buna görə də təcrübədə özlülüyün pozulmasının nə qədər əhəmiyyətli olduğunu başa düşmək və sonra qüvvəni nəzərə alaraq eksperimental qurğunun özünü kalibrləmək lazımdır. özlülük.
Müəlliflər jurnalda mayedə Casimir-Lifshitz qüvvəsinin dəqiq ölçülməsi (məqaləyə ictimai sahədə baxıla bilər, PDF, 163 Kb) əvvəlki işlərinə istinad edirlər. Fiziki baxış A, oxşar ölçmələrin aparıldığı, qızıl top ilə qızıl müstəvi arasındakı boşluğu dolduran bir maye kimi yalnız etanol istifadə edilmişdir (yəni ε 1 = ε 2, yəni yalnız cazibə qüvvəsi ölçüldü), onun özlülüyü bromobenzol ilə demək olar ki, eynidir. Bu təcrübələrdə elm adamları etanolda 45 nm/s top sürətində özlü qüvvənin 12 pikonevton (pico = 10 -12) olduğunu müəyyən etdilər.
Şəkildəki qrafiklərdən göründüyü kimi. 4, cisimlər arasında itələmə qüvvəsi 150 pN-ə çata bilər və buna görə də yuxarıda qeyd olunan nano və mikromexaniki cihazların layihələndirilməsi zamanı mayenin özlülüyü heç bir təsir göstərməməlidir. Çox yaxın məsafələrdə Casimir-Lifshitz qüvvəsi, sadəcə olaraq, özlü sürtünmə qüvvəsindən daha böyük miqyaslı bir sıradır.
Beləliklə, Casimir-Lifshitz effektini ölçən təcrübə göstərir ki, 10-100 nm məsafədə olan iki obyekti xüsusi seçilmiş maye ilə ayırmaqla onlardan birinin digərindən yuxarı qalxmasını və ya havaya qalxmasını müşahidə etmək mümkündür. (şək. 1-ə baxın). Ola bilsin ki, yaxın gələcəkdə bu, çox aşağı sürtünmə qüvvəsi və belə cihazların hissələri arasında “yapışma” olmaması ilə nano- və mikro-mexanizmlər yaratmağa imkan verəcək.