Относится к «Флуктуации вакуума»

Эффект Казимира

Эффект Казимира: сила "из ничего"

Астрид Ламбрехт (Astrid Lambrecht)

перевод Павлюченко С.

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 теор ий 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 теор етическим 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 теор ией для идеальных зеркал. Если не принимать во внимание это разногласие при сравнении экспериментальных данных с теор ией, 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 теор етического 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 потенциал ьную 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 теор етическое значение силы между двумя идеально отражаюшими волнистыми зеркалами, в то время как Мохиден с коллегами пересчитали ее для металлических зеркал и нашли хорошее согласие теор ии 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 теор ий, в которых происходит объединение всех четырех взаимодействий, и эти теор ии предсказывают существование новых сил, действующих на этих шкалах. Таким образом, любое расхождение между экспериментом и теор ией может интерпретироваться как существование новых сил. В любом случае, измерения положат новые ограничения на существуюшие теор ии.

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 теор етических 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)

Сила из пустого пространства: эффект Казимира

Авторы: Umar Mohideen (U. California at Riverside)

Пояснение: Этот маленький шарик дает основания предполагать, что Вселенная будет вечно расширяться. Шарик, имеющий размер немного больше одной десятой миллиметра, движется к гладкой пластинке в результате действия флуктуаций энерги и в вакууме. Это притяжение известно как эффект Казимира, названный по имени его первооткрывателя. 50 лет назад он пытался понять, почему жидкости, подобные майонезу, текут так медленно.
Сейчас появляется все больше свидетельств того, что большая часть энерги и Вселенной находится в неизвестной форме, называемой темной энерги ей. Форма и происхождение темной энерги и практически неизвестны, однако утверждается, что она связана с флуктуациями вакуума, похожими на эффект Казимира, но каким-то образом возникающими в самом пространстве. Эта огромная и загадочная темная энерги я должна отталкивать все вещество и поэтому, вероятно, может быть причиной бесконечного расширения Вселенной. Изучение флуктуаций вакуума находится на переднем крае исследований не только потому, что оно служит для лучшего понимания нашей Вселенной, оно важно также для предотвращения слипания деталей миниатюрных механизмов.

Сила Казимира Термин сила Казимира Термин на английском Casimir forces Синонимы эффект Казимира Аббревиатуры Связанные термины Определение сила, обусловленная наличием граничных условий вторичного квантования нулевых колебаний электромагнитного поля в вакууме. В частном случае двух незаряженных проводящих параллельных пластин является силой притяжения их друг к другу.
Описание

По макроскопическим меркам сила Казимира ничтожно мала. Однако, для объектов размером в несколько нанометров и обладающих, соответственно, крайне малой массой, сила Казимира становится весьма заметной и ее приходится учитывать при проектировании наноэлектромеханических устройств (НЭМС).

В рамках оригинальных расчетов, проведенных голландскими учеными Хендриком Казимиром и Дирком Полдером в 1948 г. (), предполагалось наличие двух незаряженных идеально проводящих металлических пластин, находящихся на расстоянии a друг от друга. В этом случае силу F , отнесенную к единице площади А , можно рассчитать как:

Наличие постоянной Планка (? = 1,05*10 -34 Дж*с) в числителе этой дроби и обуславливает её чрезвычайную малость.

Чтобы пояснить физический смысл этой силы, следует вспомнить, что, в соответствии с постулатами квантовой механики устойчивые значения энергии частицы определяются стационарным уравнением Шредингера:

В случае, если частица находится в произвольном потенциальном поле и способна совершать свободные колебания (осцилляции), а потенциал возвращающей силы описывается степенной функцией с четным показателем (т.е. параболой), решение уравнения дает следующие собственные значения энергии E :

где ? - собственная частота колебаний осциллятора, а ?? - квант, равный разности энергий уровней с числами квантов n и n-1 . Это выражение называют решением уравнения Шредингера для гармонического осциллятора. Из этого решения видно, что даже если число квантов энергии в осциллаторе n =0, энергия гармонического осциллятора равна не нулю, а ??/2 . Величину ??/2 назвали нулевыми колебаниями гармонического осциллятора.

Если распространить данную логику на кванты электромагнитного излучения - фотоны (и использовать подход вторичного квантования , в котором используются операторы рождения и уничтожения фотонов), то в некотором приближении возникновение силы Казимира можно объяснить так: в отсутствие каких-либо объектов все пространство физического вакуума заполнено бесконечным числом гармоник нулевых колебаний электромагнитного поля (даже в отсутствие фотонов, как было показано выше, энергия вакуума не будет равна нулю) с, соответственно, бесконечным набором длин волн.

Наличие двух проводящих пластин ограничивает пространство таким образом, что на их поверхности поперечная компонента электрического поля и нормальная компонента магнитного поля становятся равными нулю. То есть, между пластинами возникает стоячая волна с длиной волны 2a/ k, где k - номер гармоники (1, 2, 3 и т.д.). В то же время, снаружи пластин пространство физического вакуума осталось невозмущенным, и оно-то и оказывает давление на пластины, стремясь приблизить их друг к другу.

Первые эксперименты по обнаружению силы Казимира были поставлены уже в 1958 г. (), однако, их точность была очень низкой. Более точно силу Казимира удалось измерить в Стиву Ламоро в 1997 г. ().

• Лурье Сергей Леонидович, к.ф.-м.н.

Ссылки

1. Casimir H. B. G., and Polder D. The Influence of Retardation on the London-van der Waals Forces//Physical Review - 1948. vol. 73 (4). - pp. 360–372
2. Sparnaay M.J. Measurement of attractive forces between flat plates//Physica - 1958. vol. 24 (6-10) - pp. 751 - 764
3. Lamoreaux S. K. Demonstration of the Casimir Force in the 0.6 to 6 µm Range//Phys. Rev. Lett. - 1997. vol. 78 (1) - pp. 5–8

Иллюстрации Теги Разделы

Энциклопедический словарь нанотехнологий. - Роснано . 2010 .

Смотреть что такое "сила Казимира" в других словарях:

Эффект Казимира эффект, заключающийся во взаимном притяжении проводящих незаряженных тел под действием квантовых флуктуаций в вакууме. Чаще всего речь идёт о двух параллельных незаряженных зеркальных поверхностях, размещённых на близком… … Википедия

Силы Казимира

Совокупность физ. явлений, обусловленных специфической поляризацией вакуума квантованных полей вследствие изменения спектра нулевых колебаний в областях с границами и в пространствах с нетривиальной топологией. Предсказан X. Казимиром в 1948 … Физическая энциклопедия

Пожалуйста, актуализируйте данные В этой статье данные предоставлены преимущественно за 2007 2008 гг … Википедия

Casimir Forces - Casimir Forces Силы Казимира Сила притяжения, действующая между двумя параллельными идеальными зеркальными поверхностями, находящимися в абсолютном вакууме. Сила Казимира чрезвычайно мала. Расстояние, на котором она начинает быть сколько… … Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. - М.

Фоковское состояние это квантовомеханическое состояние с точно определённым количеством частиц. Названо в честь советского физика В. А. Фока. Содержание 1 Свойства фоковских состояний 2 Энергия состояний … Википедия

Великий князь всея Руси, называемый также иногда Великим, старший сын великого князя Василия Васильевича Темного и супруги его, великой княгини Марии Ярославны, внучки кн. Владимира Андреевича Храброго, род. 22 января 1440 г., в день памяти… … Большая биографическая энциклопедия

В этой статье векторы выделены жирным шрифтом, а их абсолютные величины курсивом, например, . В классической механике вектором Лапласа Рунге Ленца называется вектор, в основном используемый для описания формы и ориентации орбиты, по… … Википедия

В этой статье векторы и их абсолютные величины выделены жирным шрифтом и курсивом, например, . В классической механике вектором Лапласа Рунге Ленца называется вектор, в основном используемый для описания формы и ориентации орбиты, по которой… … Википедия

Эффект Казимира может достигать существенных величин, но только на дистанциях меньше сотни нанометров. Поэтому не смотря на то, что теоретически этот эффект был предсказан Хендриком Казимиром ещё в 1948 году, экспериментальное подтверждение его появилось только в 1997 году (спустя 49 лет). Подтверждения же открытого Евгением Лифшицем в 1956 году эффекта отталкивания и вовсе пришлось ждать 53 года – оно было подтверждено только в 2009 году.

Существовавший в классической механике «пустой» вакуум на поверку оказался не столь пустым: при изучении эффектов квантовой механики оказалось, что он заполнен парами виртуальных частиц, которые непрерывно образуются и аннигилируют между собой. При этом если поместить на очень близком расстоянии две параллельные пластины из проводников электрического тока, то образующиеся при этом частицы будут гаситься из-за эффекта интерференции волн. Чем ближе будут расположены пластины – тем меньше будет оставаться виртуальных частиц между ними, при этом во внешней среде их число будет оставаться прежним (как и производимое ими давление) что будет создавать всё большую силу, направленную на притяжение пластин.

Аналог этого явления, основанный на интерференции волн в водной среде

Эффект притяжения

На расстоянии 10 нанометров между пластинами эта сила может создавать давление близкое к атмосферному, но так как его сила падает в 4 степени от дистанции – его величина на дистанции уже в 100 нанометров становится трудно регистрируемой. Этот эффект предложен для использования в различных наномеханических системах и даже в качестве замены экзотической материи для и стабилизации червоточин.

Эффект отталкивания

В 1956 году Евгений Лифшиц показал, что если заполнить промежуток между двумя поверхностями диэлектрическим материалом, то это явление может поменять свой знак. Первый эксперимент подтверждающей этот эффект заключался в прижатии позолоченного шарика диаметром всего в 40 мкм к золотой плёнке и кремниевой пластине (для измерения эффекта притяжения и отталкивания соответственно) размещённых в жидкой среде – бромбензоле. Авторы этой работы, опубликованной в Nature в 2009 году, указывают на то что смешение двух или более жидкостей может позволить добиться отталкивания при малых дистанциях и притяжение при больших, что позволит в свою очередь создать механизмы с очень низким коэффициентом трения.

Результаты эксперимента: синей линией показаны результаты для силы отталкивания, жёлтым — для силы притяжения. Уже на дистанции в 80 нм измеряемые силы становятся сравнимы с погрешностями измерений.

Динамический эффект

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

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

Они утверждают, что мы продолжаем бороться за источники энергии, разрушать окружающую среду и вредить матери-Земле. Продолжаем использовать те же старые методы, которые генерируют триллионы долларов для тех, кто находится на вершине энергетической промышленности. Корпоративные СМИ продолжают продвигать идею о том, что мы находимся в энергетическом кризисе, что мы приближаемся к серьезной проблеме из-за нехватки ресурсов.

Концепция энергии нулевой точки

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

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

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

Эта статья будет сосредоточена главным образом на концепции свободной энергии, которая была доказана исследователями по всему миру, которые провели эксперименты и опубликовали свои работы.

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

Сила энергии Казимира

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

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

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

Последствия этого являются далеко идущими и были подробно написаны в теоретической физике исследователями во всем мире. Сегодня мы начинаем видеть, что эти понятия не только теоретические, но и практичные.

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

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

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

На расстоянии 10 нм (сотни размера типичного атома) сила Казимира сравнима с атмосферным давлением.

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:

1. Мостепаненко В.М., Трунов Н.Н. Эффект Казимира и его приложения. «Успехи физических наук» т. 156, вып. 3, с. 385...426. 1988.
2. Мостепаненко Л.М., Мостепаненко В.М. Концепция вакуума в физике и философии. «Природа», №3, с. 88...95, 1985.
3. 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:

1. Эткин В.А. Об ориентационном взаимодействии спиновых систем . , 2002.
2. Рыков А.В.