Динамический эффект казимира при раздувании вселенной. Свободная энергия казимира
Сила притяжения между двумя поверхностями в вакууме, впервые предсказанная Генрихом Казимиром (Hendrik Casimir) более 50 лет назад, может повлиять практически на все - от микроприборов до теорий Мироздания.
Однако, очень не во многих экспериментах, измеряющих силу Казимира, использовалась оригинальная конфигурация плоскостей как параллельных зеркал. Связано это с тем, что их необходимо сохранять параллельными в течение всего эксперимента, что очень тяжело. Значительно проще поднести сферу достаточно близко к зеркалу, так как расстояние между объектами, используемое в формуле для вычисления силы, в данном случае - просто расстояние между ближайшими точками. Единственный недостаток использования сферы и плоского зеркала состоит в том, что вычисления силы Казимира в этом случае не так точны, как в случае двух параллельных зеркал. В частности, предполагается, что вклады силы между сферой и пластиной полностью независимы в каждой точке. А это верно только если радиус сферы много больше расстояния между сферой и пластиной.
И лишь совсем недавно был проведен эксперимент, полностью повторяюший Казимировскую систему из двух плоских, параллельных зеркал. Он был проведен Джанни Каругно (Gianni Carugno), Роберто Онофрио (Roberto Onofrio) с сотрудниками из Университета Падовы в Италии. Они измерили силу между жесткой хромированной пластинкой и плоской поверхностью кронштейна, сделанного из такого же материала, которые были разнесены на 0.5-3 микрона (G Bressi et al. 2002 Phys. Rev. Lett. 88 041804). По их измерениям, сила Казимира согласуется с теоретическим предсказанием на 75 % . Такая относительно большая погрешность связана с техническими трудностями при осуществлении эксперимента.
Более точные вычисления
Проблема в изучении эффекта Казимира состоит в том, что обычные зеркала - не идеально гладкие и плоские, как рассматривал Генрих Казимир. В частности, обычные зеркала не отражают идеально на всех длинах волн. На некоторых они отражают хорошо - даже почти идеально, в то же время как на других - плохо. Кроме того, все зеркала становятся прозрачными на очень высоких частотах. Таким образом, при вычислении силы Казимира необходимо принимать во внимание зависящие от частот коэффициенты отражения от зеркал. Эту проблему рассматривал Евгений Лифшиц в 1950-е годы, потом Джулиан Швингер (Julian Schwinge) и многие другие.
Оказалось, что измеряемая сила Казимира между обычными металлическими зеркалами, находящимися на расстоянии 0.1 микрон, составляет только половину от предсказываемой теорией для идеальных зеркал. Если не принимать во внимание это разногласие при сравнении экспериментальных данных с теорией, можно сделать неверное заключение о том, что это несогласие вызвано существованием новой силы. Астрид Ламбрехт (Astrid Lambrecht) и его коллега Серж Рейнод (Serge Reynaud) проводили свои вычисления для реального поведения зеркал, принимая во внимание физические свойства металлов. Они заключили, что в случае простейшей модели зеркала ведут себя "нормально" на расстояниях, превышающих 0.5 микрон.
Другой прблемой, возникающей при вычислении теоретического значения силы Казимира, является тот факт, что эксперимент в принципе не может быть проведен при абсолютном нуле - что предполагалось в вычислениях Казимира - а проводится при комнатной температуре. Из-за этого приходится учитывать еще и тепловые флуктуации. Они могут создать собственное давление излучения и этим увеличить эффект силы Казимира. Например, сила Казимира, действующая между плоскими зеркалами, разнесенными на 7 микрон, при комнатной температуре оказывается в два раза больше, чем при абсолютном нуле. К счастью, тепловые флуктуации при комнатной температуре важны лишь на дистанциях больше одного микрона, при меньших расстояниях длина волны флуктуации слишком велика, чтобы хотя бы один раз полностью уложиться в потенциальную яму.
Хотя влияние температуры на силу Казимира еще не исследовано в деталях, ее необходимо учитывать при расстояниях, превышающих один микрон. Многие исследователи бились над этой проблемой, в том числе Лифшиц и Швингер в 1950-х. Не так давно ее рассматривали Майкл Бордаг (Michael Bordag) из Университета Лейпцига, Бо Сернелиус (Bo Sernelius) из Университета Линкопинг (Linköping University) в Швеции, Галина Климчитская и Владимир Мостапенко из Университета Парайбы (University of Paraiba) а Бразилии, а также группа Астрида Ламбрехта в Париже. Зависимость силы Казимира от температуры была некоторое время назад темой горячих обсуждений в научной среде. Правда, многие противоречия уже разрешены, но они стимулировали эксперименты по определению зависимости силы Казимира от температуры.
Третьей и последней проблемой при вычислении силы Казимира является тот факт, что настоящие зеркала не идеально гладкие. Подавляющее большинство зеркал сделаны путем покрытия основы тонкой металлической пленкой; при этом используется технология "напыления". В этом случае толщина пленки колеблется на 50 нм. Такая точность незаметна для невооруженного глаза, но оказывает влияние на измеряемое значение силы Казимира, которая очень чуствительна к расстоянию.
Мохиден (Mohideen) и его группа (Калифорния), используя деформированные поверхности, недавно показали, что такие поверхности также испытывают "боковую" силу Казимира, которая действует не в перпендикулярном, а в параллельном направлении по отношению к зеркалу. Для экспериментов они приготовили специальные зеркала, поверхности которых были синусоидально искривлены. Затем они двигали зеркала таким образом, чтобы пик одного из зеркал проходил последовательно через пики и "минимумы" второго зеркала. Было обнаружено, что боковая сила Казимира меняется синусоидально с разностью фаз между двумя "волнами". Величина силы оказалась в 10 раз меньше, чем она была бы в случае "нормальных" зеркал, разнесенных на такое же расстояние. Боковая сила своей природой также обязана флуктуациям вакуума.
Мехран Кадар (Mehran Kadar) с сотрудниками из Массачусетского Технологического Института вычислили теоретическое значение силы между двумя идеально отражаюшими волнистыми зеркалами, в то время как Мохиден с коллегами пересчитали ее для металлических зеркал и нашли хорошее согласие теории с экспериментом. Боковая сила Казимира может иметь и другие последствия для микроприборов.
Новая физика?
Эффект Казимира может также играть роль при точных измерениях силы в микромире на микро- и нанометровых шкалах. Ньютоновский закон много раз проверялся в макромире, например, при исследовании движения планет. Но еще никому не удавалось проверить его на микронных расстояниях с хорошей точностью. Такие тесты очень важны, так как существует множество теорий, в которых происходит объединение всех четырех взаимодействий, и эти теории предсказывают существование новых сил, действующих на этих шкалах. Таким образом, любое расхождение между экспериментом и теорией может интерпретироваться как существование новых сил. В любом случае, измерения положат новые ограничения на существуюшие теории.
Джинс Гандблах (Jens Gundlach) с коллегами из Вашингтона, например, использовали крутильный маятник для определения гравитационной силы между двумя тестовыми массами, разделенными от 10 мм до 220 микрон. Их измерения подтвердили, что ньютоновская гравитация действует на этих шкалах, а сила Казимира доминирует на значительно меньших расстояниях. Тем временем Джошуа Лонг (Joshua Long), Джонн Прайс (John Price) с коллегами из Университета Колорадо вместе с Эфрамом Фишбахом (Ephraim Fischbach) и его сотрудниками из Университета Парду (Purdue University) попытались устранить действие эффекта Казимира на субмиллиметровые тесты гравитации путем более тщательного выбора материалов, используемых в эксперименте.
Эта статья дает только краткий обзор многих экспериментальных и теоретических исследований эффекта Казимира. Конечно, существует множество не менее захватывающих экспериментов. Многие научные группы, например, изучают, что будет, если во взаимодействии между зеркалами участвует не электромагнитное поле, переносчиком которого являются безмассовые бозоны, а поля массивных фермионов, таких, как кварки или нейтрино. Другие команды, тем временем, изучают эффект Казимира для случаев с другими топологиями, такими, как лист Мебиуса и торообразные объекты.
Но, несмотря на все прилагаемые исследователями усилия, все еще остается много неразрешенных проблем, связанных с эффектом Казимира. В частности, кажущийся простым вопрос о силе Казимира в одиночной полой сфере все еще остается животрепещущим. Даже нет уверенности, будет ли эта сила притягивающей или отталкивающей. Сам Генрих Казимир размышлял над этой проблемой в 1953, когда искал стабильную модель электрона.
M Bordag, U Mohideen and V M Mostepanenko 2001 New developments in the Casimir effect Phys. Rep. 353 1
H B Chan et al. 2001 Nonlinear micromechanical Casimir oscillator Phys. Rev. Lett. 87 211801
F Chen and U Mohideen 2002 Demonstration of the lateral Casimir force Phys. Rev. Lett. 88 101801
C Genet, A Lambrecht and S Reynaud 2000 Temperature dependence of the Casimir force between metallic mirrors Phys. Rev. A 62 012110
S K Lamoreaux 1997 Demonstration of the Casimir force in the 0.6 to 6 micrometer range Phys. Rev. Lett. 78 5
K A Milton 2001 The Casimir Effect: Physical Manifestations of Zero-point Energy (World Scientific, Singapore)
Около 50 лет назад Генрих Казимир обнаружил, что в вакууме между двумя поверхностями существует определённая Эта сила может создать настоящую революцию в науке.
Если взять два зеркала и установить их в пустом пространстве, между ними начинается притяжение, поскольку между ними есть вакуум. Этот феномен был открыт Казимиром в 1948 г., когда он занимался в научном центре в Эйндховене. Данный феномен был назван эффектом Казимира, а сила, которая возникает между двумя зеркалами - силой Казимира.
Долгое время считалось, что эффект Казимира - это не более чем занятная теория. Однако за последнее время наблюдается повышенный интерес к данному явлению. Было установлено, что сила Казимира напрямую влияет на микроскопические механизмы, а благодаря прогрессу в техническом оснащении эту силу можно измерить с повышенной точностью.
Данный эффект может представлять определённый интерес для фундаментальной физики. Существует много теорий, в соответствии с которыми есть протяженные дополнительные измерения в десятимерных и одиннадцатимерных теориях. В соответствии с данными теориями, наблюдается определённое отклонение от стандартной гравитации Ньютона на расстояниях в мельчайшие доли миллиметра. Следовательно, измеряя действие эффекта Казимира, можно проверить данные гипотезы.
Изучение Казимиром коллоидных растворов
Работая в научном центре в Эйндховене, Казимир исследовал свойства, характерные для Это вещества с высоким показателем вязкости, в которых есть частицы размером с микрон. Их свойства определяют Ван-дер-Ваальсовы силы - это дальнодействующие силы притяжения, которые возникают между молекулами и атомами, являющимися нейтральными.
Тео Овербек, коллега Казимира, отметил, что теория Фрица Лондона для описания сил Ван-дер-Ваальса не может дать корректную оценку данным экспериментов. Он попросил Казимира, чтобы тот поработал над данной проблемой. Казимиром было обнаружено, что невозможно правильно описать взаимодействие, наблюдающееся между 2-мя нейтральными молекулами, исходя из того, что постоянна.
После этого ученый отметил, что данный результат можно описать, если учесть флуктуации атома. Флуктуация - это термин, которым характеризуется все виды колебаний и периодических изменений. Тогда учёный подумал, что вместо двух молекул можно установить два зеркала, которые были бы повёрнуты друг к другу отражающими сторонами. Так он и предсказал силу притяжения, которая существует между отражающими пластинами.
Динамический эффект Казимира
В соответствии с квантовой теорией, вакуум не является обычной пустотой. В нём регулярно наблюдаются энергетические флуктуации - виртуальные частицы и античастицы рождаются и погибают. Они способны оказывать давление. Данное явление получило название "статический эффект Казимира". Оно было доказано экспериментами. Однако теоретически есть ещё динамический эффект Казимира - трансформация вакуумных флуктуаций в реальные частицы (например, фотоны). Именно этот эффект наблюдался учёными.
При динамическом эффекте Казимира должно было происходить колебание зеркал, при этом их скорость должна была сопоставимой со скоростью света. Для этого физикам пришлось установить в сильном магнитном поле металлические поверхности. Скорость колебания этого поля составляла одиннадцать миллиардов раз за секунду. Поверхности начали деформироваться со скоростью, которая составила 5 % от световой, и на выходе было зарегистрировано появление фотонов. Судя по свойствам фотонов, можно было утверждать, что они возникали парами.
Когда фокусник достает из совершенно пустой шляпы сначала живого кролика, затем цветы, а под конец начинает вытягивать бесконечную блестящую ленту, умные дети, конечно, восторженно аплодируют, но знают, что все это - чистейшей воды обман. Они прекрасно понимают, что из ничего нельзя достать что-то. Все эти кролики, цветы и ленты уже были где-то заранее припрятаны, а все "чудо" - в ловких руках фокусника.
Ну, а теперь давайте посмотрим настоящее представление, которое дает подлинный маг и чародей - природа. Для начала подготовим сцену. Уберем все эти дома, леса и горы. Уберем Солнце, Землю и всякие там туманности. Затем займемся оставшимися молекулами, атомами и элементарными частицами. Заодно выкинем поля: электромагнитные, гравитационные, да и вообще все, какие нам попадутся. Вот теперь сцена подготовлена. То, что осталось - ну совершенно пустая шляпа - абсолютный физический вакуум. Теперь выход природы. В руках у нее две совершенно нейтральные плоские металлические пластинки, которые вдруг ни с того, ни с сего начинают притягиваться друг к другу. Учтите - это настоящий фокус! Мы ведь заранее уничтожили все поля, включая электромагнитные и гравитационные. Как же тогда эти пластинки ухитряются почувствовать друг друга на расстоянии? Конечно, притяжение между пластинками очень, очень слабенькое, но ведь есть же! Подчеркнем: это - не вымысел, это - экспериментально установленный факт. Данный эффект носит название эффекта Казимира. Для того чтобы разобраться, в чем соль этого фокуса, давайте заглянем за кулисы и попытаемся "разоблачить" природу. Для этого надо сделать всего несколько шагов.
Шаг первый. Вот простая задача: дан шарик массой m на невесомой пружине жесткостью k . Спрашивается, при каких значениях импульса шарика и его координаты энергия системы принимает наименьшее значение и чему это значение равно? С точки зрения классической ньютоновской механики ответ очевиден. Если V - скорость, а x - координата шарика, то полная механическая энергия системы имеет вид
| (1.1) |
Задавая произвольные начальные значения для V и x , мы получаем движение с какой-то определенной энергией. Поскольку V и x можно выбирать независимо и как угодно, а выражение для энергии зависит от квадратов этих величин, наименьшее значение энергии равно нулю. Ясно, что при нулевом значении энергии скорость и координата как были равны нулю в начальный момент времени, так и останутся равными нулю во все последующие моменты времени согласно закону сохранения энергии. Итак, мы получили ответ: состояние классического осциллятора, соответствующее состоянию с минимально возможной энергией, - это состояние абсолютного покоя. Увы, покой нам только снится. У природы свой взгляд на решение этой школьной задачи. Она, природа, особенно если дело доходит до ее обожаемых электрончиков-позитрончиков, разных там атомов и молекул, объявила нам, что живут они не по ньютоновским законам, а по своим - квантовым. Квантовая механика утверждает, что никакая система принципиально не может находиться в состоянии абсолютного покоя, и этот вывод квантовой механики подтвержден экспериментально!
Наша простенькая задача неожиданно усложнилась. Теперь даже в основном состоянии - состоянии с минимальной энергией - система просто обязана находиться в непрерывном движении. Наш шарик на самом деле дрожит (или, как это говорят "по-ученому", - флуктуирует) около положения равновесия. Конечно, амплитуда этих колебаний очень и очень мала. Только природа может "увидеть" что-то такого маленького размера. Человеческий глаз явлений, происходящих в столь маленьком масштабе, не различает. Вот поэтому и живем мы спокойно и счастливо в правильном ньютоновском мире, и наш дом никаких "квантовых" флуктуаций не испытывает. Стоит себе, как вкопанный, и стоит.
Но вернемся к нашей задаче. Сделаем второй шаг. Правда, как нам его сделать, как нам надо поступить, чтобы найти минимальное значение энергии, действуя по правилам квантовой механики? Первое правило квантовой механики гласит: мы не имеем права выбирать значения импульса и координаты шарика как нам заблагорассудится. Предположим, мы откуда-то знаем, по какому закону двигается шарик в состоянии с минимальной энергией. (Такое состояние в квантовой механике называют основным состоянием.) Тогда мы можем вычислить средне-квадратичное отклонение от положения равновесия ср.зн. D x 2 и средне-квадратичное значение импульса ср.зн. D p 2 . Черта означает, что мы усредняем эти величины по периоду колебаний. Согласно квантово-механическим представлениям эти величины связаны соотношением
| (1.2) |
где (h) - знаменитая постоянная Планка.
Запомните это соотношение! Оно играет основную роль в наблюдаемых хитросплетениях, подсовываемых нам природой вместо простых и однозначных классических построений. Неравенство () называется соотношением неопределенности.
Итак, правило номер два: чтобы вычислить энергию основного состояния, мы должны использовать соотношение неопределенности. Проделаем соответствующие вычисления. Поскольку мы исследуем малые колебания возле положения равновесия, положим ср.зн. D x 2 ~ x 2 , ср.зн. D p 2 ~ p 2 . Как это ни странно, но выражение для полной механической энергии природа решила оставить без изменения. Единственное условие состоит в том, что в этом выражении импульс и координата всегда должны быть связаны соотношением неопределенности. Если считать, что p 2 ·x 2 ~ (h) 2 /4, то полная энергия является функцией только одной переменной. Действительно, с учетом равенства () получаем
| (1.3) |
Энергия основного состояния равна наименьшему значению функции E = E (x ). Чтобы найти это значение, применим неравенство между средним арифметическим и средним геометрическим двух положительных чисел. Имеем
|
причем равенство достигается, когда
где w = (k /m ) 1/2 .
Конечно, точное решение задачи об энергии основного состояния осциллятора значительно сложнее и выходит за рамки школьной математики. Интересно другое: результат, полученный нами, совпадает с точным! Кстати, это не такой уж редкий случай в физике, когда простые оценки приводят к правильному ответу.
Несмотря на простоту данного результата и необычайную легкость, с которой мы его получили, по-хорошему его надо бы вставить в рамочку и повесить на стенку рядом с уравнением Эйнштейна E = m с 2 . Ведь он кардинально меняет наши представления о том, что это такое, когда ничего нет.
Кстати, а о чем это мы? Зачем мы вдруг начали решать задачу об осцилляторе, если в начале так долго и красиво говорили об абсолютном вакууме. Нет, не зря мы проводили эти вычисления. Вспоминайте: вакуум - это полное отсутствие чего-либо. Именно с таким расчетом мы готовили сцену для демонстрации эффекта Казимира. Мы тщательно убирали частицы и поля, т.е. уменьшали энергию Вселенной. Действительно, была частица, была Эйнштейновская энергия mc 2 , не стало частицы - полная энергия системы понизилась на эту величину. Было электромагнитное поле (т.е. существовала неразрывная парочка: электрическая E плюс магнитная B составляющие) - была энергия
|
(здесь e 0 и m 0 - электрическая и магнитная постоянные, E - напряженность электрического, а B - индукция магнитного полей). Не стало электромагнитного поля, значит, снова уменьшилась полная энергия нашей сцены - Вселенной. Приготовленная к выступлению наша площадка, вакуум, это, по сути и по определению, - состояние с минимально возможной энергией. В нашей осцилляторной задаче основное состояние и есть этот "осцилляторный" вакуум. Правда, странный получился у нас ответ. Хотели получить пустоту, отсутствие чего-либо, а получили какое-то неуничтожимое дрожание. Мотивируя тем, что она живет по своим квантовым законам и Ньютон ей не указ, природа припрятала в рукаве энергию (h)w /2, а, следовательно, ее "осцилляторная" шляпа отнюдь не пуста. Что-то там все время колеблется, меняется, живет, хотя мы, зрители, этого не видим. Дело в том, что согласно тем же самым квантовомеханическим правилам игры мы можем "видеть", т.е. наблюдать только среднее значение любой величины. У обнаруженного нами дрожания или, как его по-другому называют, нулевого колебания, средние значения как импульса, так и координаты равны нулю. Шаг вправо, шаг влево, а в результате остался посередине. В общем, ничего не видно, а что-то там шевелится.
Раз природа один раз оступилась и сжульничала, верить ей не приходится. Вот разрешили мы ей поиграть с электромагнитным полем, а потом попробовали отнять у нее эту игрушку, т.е. захотели получить состояние с минимальной энергией. Ну, наверняка она и здесь что-то припрятала! Вопрос только в том, сколько? Оказывается, ответ содержится в уже решенной нами задаче о шарике на пружинке.
Мы знаем из школы, что если система совершает гармонические колебания, то энергия ее имеет как раз тот вид, который мы выписали выше для энергии шарика. Надо только помнить, что "координата" теперь - это переменная, описывающая отклонение от положения равновесия. Например, для математического маятника вместо x надо поставить в наше выражение угол отклонения от вертикали q , а вместо скорости - D q /D t . Для колебательного контура вместо x надо подставить заряд Q , а вместо скорости - ток j . Разумеется, в зависимости от ситуации изменится и смысл постоянных k , m .
В случае с электромагнитным полем можно рассуждать и по-другому: аналогом энергии шарика является энергия электромагнитной волны
|
В задаче о шарике, если импульс больше, то координата меньше, так и колеблются со сдвигом. То же самое происходит в электромагнитной волне: больше магнитная составляющая - меньше электрическая, так и перетекают друг в друга. Это очень похоже на шарик на пружинке, и можно было бы сразу вместо x и p писать E и B . Частота w таких колебаний связана с длиной электромагнитной волны l хорошо известным соотношением
|
Таких элементарных осцилляторов у природы видимо-невидимо, поскольку длины волн, разрешенных к существованию, ничем не ограничены. Они могут быть и километровыми (радиоволны), а могут быть и намного длиннее. Есть в наборе и совсем короткие, порядка межузельного расстояния в кристаллической решетке (рентгеновские лучи), а есть и намного, намного короче. От каждой электромагнитной волны, т.е. от каждого осциллятора со своей частотой колебаний w , природа, как мы уже убедились, припрятала энергию (h)w /2. При этом накопила она немало. Суммарная энергия, оставшаяся после "зачистки", когда наблюдаемых и осязаемых полей вроде бы не стало, выражается суммой
|
причем суммирование нужно выполнить по всем длинам волн. Можно убедиться, что эта сумма равна бесконечности!
Вот это энергетический запас так запас! Что по сравнению с этим какая-то там мелочь, равная энергии, запасенной в нефти в Каспийском море или Арабских Эмиратах. Да и ядерной и термоядерной энергии с этим запасом не тягаться. Бесконечность - она и есть бесконечность. Если вы думаете, что это все, то глубоко заблуждаетесь. С квантовой точки зрения любая частица одновременно является волной. Раз так, то с каждой частицей связано свое поле, свои колебания, и от каждого можно еще припрятать энергию, равную (h)w /2. Это уже не шляпа получается, а какой-то гигантский котел, в котором кипят, дрожат, возникают и снова исчезают все до единой элементарные частицы (даже те, про которые мы еще ничего не знаем), а мы тут с вами одни фотоны обсуждали. В принципе, эти частицы можно даже вытащить из этого котла на свет божий и сделать "реальными", т.е. наблюдаемыми.
Нарушить их вакуумное небытие можно, используя прогрессивный метод Балды по обучению чертей в озере уму-разуму. Надо просто хорошенько треснуть по этой шляпе (по-научному это звучит - сообщить системе достаточное количество энергии) и посыпятся частицы, как из рога изобилия. Для объяснения эффекта Казимира нам надо сделать последний, очень маленький, шажок. Надо только вспомнить, что такое резонатор. В общем, то самое устройство, которое откликается не на все волны, а только на те, у которых длина волны подходящего, нужного размера. Внеся в вакуум металлические пластинки, природа создала резонатор. Теперь вакуум взбаламутился (опять эффект Балды!). Очень неуютно почувствовали себя те нулевые колебания электромагнитных волн, у которых в промежуток между пластинами не укладывается целое число полуволн. Причина в том, что, как вы знаете из школьного курса физики, электромагнитное поле в металл не проникает. Следовательно, волны, у которых узел не попадает на пластинку, оттуда изгоняются. Теперь энергия вакуума изменилась. Суммируются только те половинки, у которых l = a /n , где n - произвольное целое число, a - расстояние между пластинами.
Итак, полная энергия вакуума c пластинами теперь равна
Разумеется, с обыденной точки зрения вычитать из бесконечности бесконечность - совершенно абсурдная задача. Однако в чем физики поднаторели, так это в умении производить арифметические операции с бесконечностями. Для физика-теоретика, даже начинающего, вычесть из бесконечности бесконечность и при этом получить конечное число (причем наблюдаемое, экспериментально проверяемое) - раз плюнуть. Ответ в нашей задаче имеет вид
|
Метод получения этого результата, хотя и похож на фокус, удивительно прост. Для того чтобы придать смысл формальному манипулированию с бесконечностями, надо сделать сначала суммы конечными. Предположим, что очень коротких волн не бывает, т.е. в сумме по l мы ограничимся только l > l 0 . Соответственно в сумме по n придется ограничиться n < a /l 0 . Теперь подсчитаем разность. Она станет функцией обрезки l 0 . Если брать все меньшие и меньшие значения l 0 и построить график этой функции, то окажется, что она стремится к конечному пределу при l 0 ® 0. Такая процедура, носящая название перенормировки или регуляризации, и приводит к упомянутому выше результату.
Полученный результат - это результат "одномерной" электродинамики. Наши волны могли распространяться только в одном направлении - перпендикулярно пластинкам. На самом деле, хотя пластинки и плоские, задача трехмерная. Электромагнитные волны (даже в виде нулевых колебаний) могут распространяться в трех направлениях. Сути дела это не меняет, нужна только небольшая модификация наших расчетов.
Окончательный ответ для трехмерной задачи выглядит так:
|
где S - площадь пластинки.
Что же теперь делать с этим выражением? Ну, во-первых, очевидно, что при сближении пластинок (уменьшении a ), D E уменьшается (знак минус!). Следовательно, чем ближе пластинки, тем энергетически выгоднее. Вспоминайте девятый класс: потенциальная энергия U камня в поле силы тяжести на высоте x равна mgx . Опустите камень и его энергия уменьшится. Но вы-то знаете, что Земля камень притягивает! Следовательно, уменьшение потенциальной энергии при сближении тел свидетельствует об их взаимном притяжении. А как эту силу извлечь из энергии? Да очень просто. Для нашей "каменной" задачи составим разность
Знак минус появился из-за того, что сила - векторная величина, а по данному правилу мы находим проекцию силы на ось абсцисс. В "каменной" задаче у нас по этой формуле получилось бы - mg , т.е. как и надо - сила направлена вниз, к Земле.
Используя эту процедуру, легко найти силу, с которой притягиваются пластинки:
|
Такое притяжение, действительно, было обнаружено экспериментально. Вот уж кто умеет ставить фокусы, так это экспериментаторы! Они ухитрились очистить свою сцену от всех взаимодействий и почувствовать эффекты, связанные с абсолютным вакуумом, что само по себе представляется чудом. Для S = 1 см 2 , a = 0,5 мкм сила притяжения составила 2·10 - 6 H, что неплохо согласуется с приведенной теоретической формулой.
Обратите внимание: в выражение для силы вообще не входит константа электромагнитного взаимодействия (отсутствует e - заряд электрона), и это несмотря на то, что мы говорили о металле и о взаимодействующем с ним электромагнитном поле. Именно этот факт позволяет взглянуть на эффект Казимира как на эффект поляризации вакуума за счет граничных условий (пластинки). Тут существует полная аналогия с поляризацией диэлектрика во внешнем электрическом поле. Можно даже описать это явление, введя диэлектрическую проницаемость вакуума e . Не путайте только ее с e 0 , которую вставляют во все электрические законы в системе СИ, и которая возникла только из-за нашей путаницы в определении единицы заряда. Наша вакуумная e - настоящая физическая характеристика, описывающая отклик вакуума на внешние воздействия.
Вот теперь мы подошли к концу. Как и следовало ожидать, природа тот же фокусник-обманщик. Мы лишний раз убедились в правоте житейской мудрости, что если ничего нет, так уж ничего и нет. Наша задача, однако, заключалась не в том, чтобы поймать природу за руку, а в том, чтобы разобраться, как все это устроено. Как и всегда, при изучении природных явлений возникает вопрос: а нельзя ли из этого знания извлечь пользу? Нельзя ли это как-то использовать? Ведь энергия, где бы она не была запасена, - энергия и просто обязана совершать работу. Если мы научились извлекать энергию, запасенную не только в нефти, но и в атомном ядре, то почему бы не попробовать черпать ее из бездонных вакуумных колодцев. Действительно, такие эксперименты проводятся. Вы, конечно, понимаете, что речь в данном случае идет не о создании практических устройств типа печки или реактора, а об исследовании принципиальной возможности использования этой энергии.
Вместо заключения
Глубоко заблуждается тот, кто полагает, что свойства вакуума исчерпываются эффектами, подобными описанному. Бесконечный и вездесущий вакуум вмешивается постоянно в явления как в микромире, так и в дела Вселенной. В микромире наблюдаемые частицы просто вынуждены жить в этом кипящем котле нулевых колебаний. Мы уже обсуждали тот факт, что в принципе в этом вакуумном небытии можно отыскать все элементарные частицы и при этом в неограниченном количестве. Если у данной частицы есть античастица (у электрона - это позитрон), то их вакуумная жизнь протекает совместно. Нулевые колебания для них заключаются в том, что пара частица-античастица возникает, а затем частица с античастицей взаимоуничтожаются - аннигилируют. Так и получается, что вроде они есть, а вроде их и нет. Частицы, пребывающие в таком состоянии, называются виртуальными.
Теперь представьте: летит себе наша наблюдаемая реальная частица (пусть это будет электрон), а рядышком - бульк-бульк - виртуальные пары то возникнут, то схлопнутся. Часто случается, что природа путает виртуальные частицы с реальными - ведь частицы все тождественны и один электрон от другого не отличишь. Итак, возникла поблизости от вашего электрона виртуальная парочка, да только античастица спутала своего виртуального партнера и проаннигилировала с реальной частицей. Сами понимаете, что виртуальному электрону ничего другого не остается, как взять на себя роль реальной частицы. В результате на наших глазах творится что-то невообразимое: была реальная частица в одном месте и вдруг оказалась в другом. Прямо телепортация какая-то. Такое "дрожание" орбиты электрона в атоме было теоретически предсказано и экспериментально проверено (лэмбовский сдвиг). Да что это мы о разной атомной мелочи говорим, когда бесконечная энергия, запасенная в вакууме, позволяет ему конкурировать с космологическими числами. Вполне вероятно, и такие гипотезы высказывались, что именно вакуум определил и определяет эволюцию Вселенной. Только использование вакуума с его необычными свойствами способно, видимо, обуздать черные дыры и не дать им сжаться до нефизической математической точки. Так что у вакуума дел предостаточно и, следовательно, (цитируя Я.Б.Зельдовича) можно утверждать, что "для теоретиков, занимающихся астрономическими проблемами, нет угрозы безработицы".
Биографическая справка:
Казимир Хендрик - нидерландский физик, член Нидерландской Академии Наук (1964), президент АН (1973).
Работал у Бора в Копенгагене и в Цюрихе у Паули. Работы в области квантовой механики, ядерной физики, физики низких температур, сверхпроводимости, термодинамики, магнетизма, прикладной математики.
В 1934 году совместно с К.Гортером разработал феноменологическую теорию сверхпроводимости (модель Казимира-Гортера). В 1936 году построил квантовую теорию взаимодействия ядра с электрическими и магнитными полями в атомах и молекулах. В 1942 году развил подробную теорию магнитных октупольных взаимодействий. Совместно с Дю Пре ввел в 1938 году понятие спиновой температуры, выделив спиновые степени свободы в отдельную термодинамическую подсистему.
Литература
1. В.В.Мостепаненко, Н.Н.Трунов. Эффект Казимира и его приложения. Москва, Энергоиздат, 1990.
3. С.Хокинг. От большого взрыва до черных дыр: краткая история времени. М., Мир, 1990.
В. МОСТЕПАНЕНКО
Доктор физико-математических наук (г. Ленинград)
С точки зрения современной физики вакуум вовсе не пустота. Квантовая теория показала, что вакуум представляет собой чрезвычайно динамичную, непрерывно меняющуюся субстанцию, нечто вроде кипящей жидкости из виртуальных – рождающихся и тут же умирающих – элементарных частиц. Иначе говоря, вакуум с точки зрения квантовой теории не просто «ничто», а может рассматриваться как море так называемых нулевых колебаний, и, даже если в пространстве нет ни одной реальной частицы и ни одного реального кванта – фотона, электрические и магнитные поля совершают нулевые колебания (то же самое можно сказать и относительно других квантованных полей). И вот оказывается, что нулевые колебания вакуума весьма отчетливо себя проявляют в целом ряде замечательных физических эффектов, один из которых был предсказан в 1948 году голландским физиком Хендриком Казимиром и носит его имя. В последние годы область приложений эффекта Казимира необычайно расширилась и охватила практически всю физику – от теории межмолекулярных взаимодействий до физики элементарных частиц и космологии. Мы расскажем о наиболее впечатляющих проблемах, где этот эффект стал играть особенно заметную роль.
В 1948 году Казимир рассмотрел две плоские металлические нейтральные – незаряженные – пластины, расположенные в вакууме параллельно друг другу на некотором расстоянии. Поскольку электрическое поле не проникает в глубь металла, электрическая составляющая нулевых колебаний, направленная вдоль пластин, должна обращаться в нуль. А значит, рассуждал Казимир, вакуумное море обязано претерпеть определенные искажения, хотя его энергия как была бесконечной, так и останется такой. И все же, как первым заметил Казимир, если вычесть эту бесконечность из исходной (до внесения пластин), то получится некоторая конечная энергия, заключенная между пластинами. Эта энергия отрицательна и, следовательно (по правилам механики), должна привести к тому, что пластины будут притягиваться друг к другу. Необычность такой силы притяжения, называемой вакуумной или казимировской, состоит в том, что она не зависит ни от масс, ни от зарядов, ни от других аналогичных постоянных, называемых физиками константами связи, а определяется только расстоянием между пластинами. Подобная сила, с точки зрения многих теоретиков того времени, выглядела какой-то неправдоподобной экзотикой, однако через 10 лет, в 1958 году, казимировское притяжение было обнаружено экспериментально, причем в полном соответствии с предсказаниями теории.
Поначалу у Казимира возникла сумасшедшая идея попытаться объяснить действием вакуумных сил загадочную стабильность электрона. Ведь электрон несет электрический заряд, и его разные части отталкиваются друг от друга. Не вакуумные ли силы препятствуют его развалу? Привлекательная идея, однако, «не прошла» – казимировская энергия сферы оказалась положительной, что соответствует силам отталкивания, а не притяжения. (Впоследствии выяснилось, что роль эффекта Казимира в физике элементарных частиц оказалась куда более изощренной.)
Вакуумные энергии и силы возникают не только в ограниченных объемах, но и в топологически неевклидовых пространствах, то есть таких, которые нельзя перевести в евклидовы взаимно однозначным и непрерывным преобразованием. Например, на неограниченной плоскости эффекта Казимира нет, а на поверхности сферы есть. Именно поэтому эффект Казимира, как оказалось, имеет прямое отношение к вопросу, конечна или бесконечна Вселенная, – одному из самых интригующих в истории человечества. Наука о Вселенной в целом – современная космология – основана на общей теории относительности Эйнштейна и допускает три возможности (см. «Наука и жизнь» №№2...4, 1987 г.).
Если средняя плотность материи во Вселенной меньше критического значения 10 –92 г/см 3 , то пространство нашего мира подобно поверхности гиперболоида вращения, если средняя плотность равна критической, то мы живем в обычном плоском пространстве. Кстати, именно эта возможность представляется наиболее предпочтительной с точки зрения популярных в настоящее время инфляционных моделей Вселенной (см. «Наука и жизнь» №8, 1985 г.). Если же средняя плотность превосходит критическую, то пространство Вселенной уподобляется поверхности сферы и объем его конечен. Казалось бы, сакраментальный вопрос о конечности Вселенной наконец-то получает ясный ответ. Однако ситуация оказывается не такой простой.
Действительно, средняя плотность материи известна лишь очень приближенно, и ее значения ненамного отличаются от критического, причем неясно даже, в сторону увеличения или уменьшения. Кроме того, как подчеркивают некоторые философы, занимающиеся проблемой бесконечности, наблюдательные данные о средней плотности всегда поневоле относятся к конечному объему, и поэтому, опираясь только на них, в принципе нельзя сделать вывод о бесконечности Вселенной. Таким образом, утверждают эти философы, сам вопрос выпадает из сферы физики и должен решаться на основе философских соображений.
Вот тут-то в защиту космологической компетенции физики и выступил эффект Казимира. В самом деле, если мы живем в гиперболическом или плоском мире, то эффекта Казимира нет, а если в сферическом, то он должен проявляться. Соответствующая положительная плотность энергии вакуума очень мала, однако в принципе ее можно зафиксировать в локальных измерениях и по их результатам реконструировать структуру Вселенной в целом – в частности, решить проблему конечности – бесконечности. Эффект Казимира, как недавно выяснилось, играет важную роль и в других проблемах космологии, например, при обсуждении механизмов инфляции или, скажем, в космологической «машине времени» И.Д. Новикова и К. Торна (см. «Наука и жизнь» №12, 1988 г.).
Уже более десяти лет теоретики обсуждают эффект Казимира в связи с проблемой строения адронов, то есть сильно взаимодействующих частиц. В рамках теории сильных взаимодействий – квантовой хромодинамики – адроны можно упрощенно представлять как пузырьки в вакууме (так называемые «мешки»), внутри которых заключены кварки и глюоны (см. «Наука и жизнь» №10, 1987 г.). Нулевые колебания квантованных полей кварков и глюонов приводят к появлению казимировской энергии мешка, которая, как оказалось, составляет около десяти процентов его полной энергии. Вклад энергии Казимира необходимо также учитывать при определении радиуса мешка, массы адрона и других его характеристик, измеряемых в эксперименте.
Еще одно интереснейшее приложение эффекта Казимира относится к многомерным моделям типа Калуцы – Клейна. Согласно таким моделям, «истинная» размерность нашего пространства-времени больше четырех, скажем, 10, 11 или 26. Однако лишние измерения (кроме наших четырех-трех пространственных и времени) замыкаются или, как говорят, компактифицируются на очень малых расстояниях – порядка 10 –33 сантиметра, в связи с чем мы их просто не замечаем. Вот эту-то замкнутость лишних измерений и гарантирует эффект Казимира.
Наконец, силы Казимира оказались чрезвычайно чувствительными к параметрам гипотетических легких или вообще безмассовых частиц, предсказываемых сегодня в рамках единых калибровочных теорий, суперсимметрии и супергравитации (скалярный аксион, дилатон, арион, антигравитон со спином единица и многие другие). Такие частицы невозможно обнаружить с помощью даже самых мощных ускорителей, поскольку они нейтральны и способны пронизывать огромные толщи вещества, почти не взаимодействуя с ним. Но именно эти частицы приводят к появлению новых медленно убывающих с расстоянием – дальнодействующих – сил (см. статью Е.Б. Александрова «В поисках пятой силы»), которые можно зафиксировать на фоне сил Казимира. Подобные работы ведутся в Московском государственном университете под руководством доктора физико-математических наук В.И. Панова с помощью атомного силового микроскопа (см. «Наука и жизнь» №8, 1989 г.). Не исключено поэтому, что в недалеком будущем эффект Казимира станет новым тестом для предсказаний фундаментальных физических теорий.
Источники информации:
- Мостепаненко В.М., Трунов Н.Н. Эффект Казимира и его приложения. «Успехи физических наук» т. 156, вып. 3, с. 385...426. 1988.
- Мостепаненко Л.М., Мостепаненко В.М. Концепция вакуума в физике и философии. «Природа», №3, с. 88...95, 1985.
- Гриб А.А., Мамаев С.Г., Мостепаненко В.М. Вакуумные квантовые эффекты в сильных полях. М., «Энергоатомиздат», 1988.
Наука и жизнь. 1989. №12.
См. также:
- Эткин В.А. Об ориентационном взаимодействии спиновых систем . , 2002.
- Рыков А.В.
КАЗИМИРА ЭФФЕКТ, общее название широкого круга явлений, обусловленных флуктуациями вакуумного состояния поля (в частности, электромагнитного) при наличии границ или изменении геометрии (топологии) пространства. Диапазон областей физики, в которых проявляется Казимира эффект, очень широк - от статистической физики до физики элементарных частиц и космологии.
Впервые влияние квантовых флуктуаций электромагнитного поля на взаимодействие электрически нейтральных макроскопических тел предсказал нидерландский физик-теоретик Х. Казимир (1948). Он рассчитал, что вследствие квантовых флуктуаций поля в основном (вакуумном) состоянии две плоскопараллельные, идеально проводящие незаряженные пластины, разделённые в вакууме зазором шириной L, при абсолютном нуле температуры должны притягиваться с силой F на единицу площади:
F = - 0,0065hc/L 4 , (*)
где h - постоянная Планка, с - скорость света в вакууме. Более общая формула для силы притяжения двух диэлектрических слоёв, учитывающая зависимость диэлектрической проницаемости от частоты поля, была получена Е. М. Лифшицем в 1954 году. Сила Казимира F очень мала для расстояний, превышающих несколько микрометров, однако с уменьшением расстояния она быстро растёт и для L = 0,01 мкм (порядка ста атомных размеров) эффективное отрицательное давление F достигает почти 1,3·10 6 Па (13 атмосфер). Поэтому учёт сил Казимира важен при конструировании различных электромеханических устройств микро- и наноразмеров. Иногда силы Казимира рассматривают как проявление ван-дер-ваальсовых сил притяжения на «больших» (в атомной шкале) расстояниях, когда нельзя пренебречь запаздыванием электромагнитного взаимодействия.
Первые эксперименты по проверке формул Казимира и Лифшица, поставленные в 1950-х годах, качественно подтвердили наличие силы притяжения между плоской и сферической поверхностями из кварца (И. И. Абрикосов, Б. В. Дерягин) и между металлическими плоскими пластинами (М. Спарнай, Нидерланды). Существенно повысить точность и надёжность измерений малых сил (вплоть до 10-12 Н) и расстояний (в диапазоне 0,1-6 мкм) удалось лишь в конце 1990-х годов благодаря появлению новых инструментов и технологий, таких как атомный силовой микроскоп и микроэлектромеханические системы. Наилучшая достигнутая точность составляет около 1%. Получено удовлетворительное согласие между теорией и экспериментом, хотя некоторые детали (например, зависимость сил от температуры на расстояниях, превышающих несколько мкм) требуют уточнения. Реальная сила взаимодействия существенно зависит от материала и свойств поверхностей, так что даже для хороших проводников (золото, медь) её величина может отличаться от значения, вычисленного по формуле (*), на десятки процентов.
В 1959 году И. Е. Дзялошинский, Е. М. Лифшиц и Л. П. Питаевский предсказали возможность появления отталкивающей силы в слоистых структурах с разными диэлектрическими проницаемостями. Впоследствии было найдено много других моделей и геометрических конфигураций, допускающих такую силу, например, при комбинации идеальных проводника и магнетика или различных структур из метаматериалов (искусственных сред с отрицательным коэффициентом преломления). Однако экспериментальных подтверждений теоретических результатов пока нет, хотя этот вопрос актуален в связи с разработкой микро- и наноэлектромеханических устройств.
Казимира эффект играет важную роль в космологии в связи с тем, что в рамках квантовой теории поля при нулевой температуре возникает ненулевая вакуумная плотность энергии. Это имеет большое значение для решения проблемы космологической постоянной и связано с инфляционной моделью Вселенной. Казимира эффект весьма существен в физике адронов: при расчёте их свойств должна учитываться казимировская энергия кварковых и глюонных полей. Казимира эффект учитывается в суперсимметричных теориях поля и моделях типа Калуцы - Клейна теории при анализе механизмов спонтанной компактификации дополнительных пространственных измерений.
Если поверхности, ограничивающие поле, движутся или их свойства зависят от времени, то говорят о нестационарном (или динамическом) Казимира эффекте, ярким проявлением которого могло бы быть рождение фотонов из вакуума вследствие движения границ электрически нейтральных макроскопических тел. Этот эффект ещё не обнаружен, поскольку предсказываемое количество рождённых фотонов пропорционально квадрату отношения характерной скорости движения к скорости света, то есть очень мало. Однако это число можно увеличить на много порядков благодаря квантовой интерференции, если заставить границу колебаться с достаточной амплитудой и периодом, близким к половине периода колебаний выбранной моды электромагнитного поля, используя эффект параметрического резонанса. Такой эксперимент реален для частот в области нескольких гигагерц.
Лит.: Бараш Ю. С. Силы Ван-дер-Ваальса. М., 1988; Мостепаненко В. М., Трунов Н. Н. Эффект Казимира и его приложения. М., 1990; Bordag М., Mohideen U., Mostepanenko V. М. New developments in the Casimir effect // Physics Reports. 2001. Vol. 353. №1-3.