Կազիմիրի էֆեկտ

Կազիմիրի էֆեկտ, վակուումում քվանտային ֆլուկտուացիաների ազդեցության տակ չլիցքավորված հաղորդիչ մարմինների փոխադարձ ձգողության երևույթը։ Հաճախ խոսքը մոտիկ տեղավորված երկու զուգահեռ չլիցքավորված հայելային մակերևույթների մասին է, սակայն Կազիմիրի էֆեկտը նկատվում է նաև ավելի բարդ երկրաչափությունների դեպքում։ Կազիմիրի էֆեկտի պատճառը ֆիզկական վակուումի էներգիական տատանումներն են, որոնք տեղի են ունենում վակուումում վիրտուալ մասնիկների մշտապես առաջացման և ոչնչացման հետևանքով։ Երևույթը 1948 թ. կանխատեսել է հոլանդացի ֆիզիկոս Հենդրիկ Կազիմիրը։ Ավելի ուշ այն հաստատվեց փորձնականորեն։

Կազիմիր ուժերը զուգահեռ թիթեղների վրա

Կազիմիր ուժերը զուգահեռ թիթեղների վրա

Էֆեկտի էությունը

Դաշտի քվանտային տեսության համաձայն՝ ֆիզիկական վակուումը բացարձակ դատարկություն չէ։ Նրանում մշտապես առաջանում և ոչնչանում են վիրտուալ մասնիկների և հակամասնիկների զույգեր՝ տեղի են ունենում այդ մասնիկների հետ կապված դաշտերի մշտական տատանումներ (ֆլուկտուացիաներ)։ Մասնավորապես, տեղի են ունենում ֆոտոնի հետ կապված էլեկտրամագնիսական դաշտի տատանումներ։ Վակուումում առաջանում և ոչնչանում են էլեկտրամագնիսական սպեկտրի ալիքի բոլոր երկարություններին համապատասխանող վիրտուալ ֆոտոններ։ Սակայն իրադրությունը փոխվում է մոտ տեղադրված հայելային մակերևույթների միջև ընկած տարածությունում։ Որոշակի ռեզոնանսային երկարությունների վրա (ամբողջ կամ կիսաամբողջ թվով բազմապատիկ մակերևույթների միջև եղած հեռավորությանը) էլեկտրամագնիսական ալիքները ուժեղանում են։ Մյուս բոլոր երկարությունների վրա (որոնք ավելի շատ են), տեղի է ունենում հակառակը, այսինքն՝ ճնշվում է համապատասխան վիրտուալ ֆոտոնների առաջացումը։ Դա տեղի է ունենում այն պատճառով, որ թիթեղների միջև եղած տարածությունում կարող են գոյություն ունենալ միայն կանգուն ալիքներ, որոնց լայնույթը թիթեղների վրա հավասար է զրոյի։ Արդյունքում վիրտուալ ֆոտոնների ճնշումը թիթեղների մակերևույթի վրա ներսից ավելի փոքր է, քան դրսից, որտեղ ֆոտոնների առաջացումը ոչնչով սահմանափակված չէ։ Որքան մոտ են մակերույթները միմյանց, այնքան ավելի քիչ թվով ալիքի երկարություններ են ռեզոնանսի մեջ մտնում և ավելի մեծ թվով ալիքի երկարություններ են ճնշվում։ Վակուումի նման վիճակը գրականության մեջ հաճախ կոչվում է Կազիմիրի վակուում։ Որպես հետևանք, ձգողության ուժը մակերևույթների միջև աճում է։ Այս երևույթը պատկերավոր կերպով կարելի է նկարագրել որպես “բացասական ճնշում”, երբ վակուումը զրկված է ոչ միայն սովորական, այլև վիրտուալ մասնիկների մի մասից, այսինքն՝ «դուրս է մղված ամեն ինչ և մի բան էլ ավելին»։

Համանմանություններ

Կազիմիրի էֆեկտին համանման երևույթ XVIII դարում դիտել են ֆրանսիացի ծովայինները։ Երբ ուժեղ ալեկոծության, սակայն թույլ քամու պայմաններում տարուբերվող երկու նավեր հայտնվել են մոտ 40 մետրից պակաս հեռավորության վրա, ալիքների ինտերֆերենցի արդյունքում նավերի միջև ընկած տարածությունում ալեկոծությունը դադարել է։ Հանդարտ ծովը նավերի միջև ստեղծել է ավելի փոքր ճնշում, քան արտաքին կողմերից ալեկոծվողը։ 1800-ական թթ. ծովագնացության ձեռնարկներում նման դեպքերի համար խորհուրդ էր տրվում 10-20 ծովայիններ ուղարկել երկու կողմերից՝ նավերը հետ հրելու համար։ Երևույթը նաև հիշեցնում է Լեսաժի ձգողականության տեսությունը, երբ մարմինները իրար են բախվում հիպոթետիկ մասնիկների ճնշման տակ։

Կազիմիրի ուժի մեծությունը

Բացարձակ վակուումում գտնվող երկու զուգահեռ իդեալական հայելային մակերևույթների միավոր մակերեսի վրա ազդող ձգողության ուժը

$~{F_{c} \over A}={\hbar c\pi ^{2} \over 240d^{4}}$

է, որտեղ

$~\hbar$-ը Պլանկի հաստատունն է,

$~c$-ը` լույսի արագությունը վակուումում,

$~d$-ը` հեռավորությունը մակերևույթների միջև։

Այստեղից երևում է, որ Կազիմիրի ու ժը խիստ փոքր է։ Հեռավորությունը, որի դեպքում արդեն ինչ-որ չափով սկսում է նկատելի դառնալ Կազիմիրի ուժը, մի քանի միկրոնների կարգի է։ Սակայն, հակադարձ համեմատական լինելով հեռավորության չորրորդ աստիճանին, այն շատ արագ աճում է հեռավորության նվազմանը զուգընթաց։ Ատոմի չափերի հարյուրապատիկ՝ 10 նմ կարգի հեռավորության վրա Կազիմիրի էֆեկտի հետևանքով առաջացած ճնշումը համեմատելի է մթնոլորտային ճնշման հետ։ Ավելի բարդ երկրաչափության դեպքում (օրինակ՝ գնդի և հարթության կամ ավելի բարդ օբյեկտների փոխազդեցության ժամանակ) փոխվում է գործակցի նշանը և թվային արժեքը, ուստի Կազիմիրի ուժը կարող է լինել ինչպես ձգողական, այնպես էլ՝ վանողական։ Չնայած Կազիմիրի ուժի բանաձևում բացակայում է էլեկտրամագնիսական փոխազդեցության հիմնական բնութագրիչ նուրբ կառուցվածքի հաստատունը`$~\alpha$-ն, այս երևույթը, այնուհանդերձ, էլեկտրամագնիսական ծագում ունի։ Ինչպես ցույց է տրված` թիթեղների վերջավոր հաղորդականությունը հաշվի առնելու դեպքում ի հայտ է գալիս կախում $~\alpha$-ից, իսկ ուժի ստանդարտ արտահայտությունը $\alpha \gg mc/4\pi \hbar nd^{4}$ սահմանային դեպքի համար է, որտեղ $n$-ը էլեկտրոնների խտությունն է թիթեղում։

Բացահայտման պատմությունը

Հենդրիկ Կազիմիրը աշխատում էր Հոլանդիայի Philips Research Laboratories-ում, որտեղ ուսումնասիրում էր կոլոիդային լուծույթները` մածուցիկ նյութեր, որոնց կազմության մեջ առկա են միկրոնային չափերի մասնիկներ։ Նրա կոլեգաներից մեկը` Թեո Օվերբեքը (Theo Overbeek), նկատեց, որ կոլոիդային լուծույթների վարքը ամբողջությամբ չի համաձայնեցվում գոյություն ունեցող տեսության հետ, և Կազիմիրին խնդրեց հետազոտել այդ խնդիրը։ Շուտով Կազիմիրը եկավ այն եզրակացության, որ տեսությամբ կանխորոշված վարքից առկա շեղումները կարելի է բացատրել՝ հաշվի առնելով վակուումի ֆլուկտուացիաների ազդեցությունը միջմոլեկուլային փոխազդեցությունների վրա։ Դա նրան մղեց հարց բարձրացնել, թե ինչ ազդեցություն կարող են ունենալ վակուումի ֆլուկտուացիաները երկու զուգահեռ հայելային մակերևույթների վրա, և ի վերջո եկավ հանրահայտ կանխատեսման, որ մակերևույթների միջև գոյություն ունի ձգողական ուժ։

Փորձարարական հայտնաբերումը

Երբ 1948 թ. Կազիմիրը հայտնեց իր կանխատեսումները, գոյություն ունեցող տեխնոլոգիաների անկատարությունը և էֆեկտի խիստ թույլ լինելը դրա փորձարարական ստուգումը ծայրահեղ բարդ խնդիր դարձրեցին։ Առաջին փորձերից մեկը 1958 թ. անցկացրեց Մարկուս Սպաարնին (Marcus Spaarnay) Էյնդհովենում գտնվող Philips կենտրոնում։ Սպաարնին եկավ այն եզրակացության, որ իր ստացած արդյուքները «չեն հակասում Կազիմիրի տեսական կանխատեսումներին»։ 1997 թ. մի շարք ավելի նուրբ փորձեր կազմակերպվեցին, որոնցում ավելի քան 99% համաձայնություն հաստատվեց տեսության և դիտարկվող արդյունքների միջև։

2011 թ. Չալմերսի տեխնիկական համալսարանի մի խումբ գիտնականներ հաստատեցին Կազիմիրի դինամիկ էֆեկտը։ Գերհաղորդիչ քվանտային ինտերֆերաչափի օգնությամբ անցկացված գիտափորձում գիտնականները ստացան հայելու նմանակ, որը մագնիսական դաշտի ազդեցությամբ տատանվում էր լույսի արագության 5%-ի արագությամբ։ Դա բավարար էր Կազիմիրի դինամիկ էֆեկտ դիտարկելու համար. Գերհաղորդիչ քվանտային ինտերֆերաչափը ճառագայթում էր միկրոալիքային ֆոտոնների հոսք, որոնց հաճախությունը հավասար էր «հայելիների» տատանման հաճախության կեսին։ Հենց նման երևույթ էր կանխատեսել քվանտային տեսությունը։ Սպասվում է գիտնականների այլ խմբի գիտափորձ։

Կազիմիրի էֆեկտի ժամանակակից ուսումնասիրությունները

• Կազիմիրի էֆեկտը դիէլեկտրիկների համար
• Կազիմիրի էֆեկտը զրոյից տարբեր ջերմաստիճաններում
• Կազիմիրի էֆեկտի և ֆիզիկայի այլ էֆեկտների կամ բաժինների կապը (երկրաչափական օպտիկայի, ապակոհորենցիայի և պոլիմերների ֆիզիկայի կապը)
• Կազիմիրի դինամիկ էֆեկտը
• Կազիմիրի էֆեկտը բարձր զգայնությամբ սարքեր ստեղծելիս։

Գրականություն

• В. М. Мостепаненко, Н. Н. Трунов. Эффект Казимира и его приложения. УФН, 1988, т. 156, вып. 3, с. 385 - 426.
• А. А. Гриб, С. Г. Мамаев, В. М. Мостепаненко. Вакуумные квантовые эффекты в сильных полях. М.: Энергоатомиздат, 1988.