Эффект казимира в физическом вакууме: Энергия вакуума: Эффект Казимира

Однако использовать эту установку для получения энергии из вакуума невозможно: энергия полученного излучения неизмеримо слабее мощности, которую приходится закачивать в прибор. Это же справедливо и для прочих устройств, которыми можно воспользоваться для наблюдения динамического эффекта Казимира. В общем, вакуум — это вовсе не нефтеносный слой.

«АМЕРИКАНСКИЕ ФИЗИКИ ПОЛУЧИЛИ НЕЧТО ИЗ НИЧЕГО»

Наука и жизнь // Иллюстрации

Открыть в полном размере

‹

›

Под таким интригующим заголовком была помещена информация в Интернете о недавнем эксперименте, проведенном в Калифорнийском университете группой физиков под руководством Умара Мохидина.

Речь идет об измерении так называемой силы Казимира — силы взаимодействия между очень близкими материальными объектами, странным образом возникающей в вакууме. Вакуум — это и есть то самое «ничто», из которого возникает вполне измеримое «нечто».

Эффект Казимира известен физикам уже достаточно давно. В 1948 году датский физик Хендрик Казимир в результате теоретических исследований предсказал, что если поместить в вакуум две незаряженные металлические пластины, расположив их параллельно и крайне близко одна к другой (на расстоянии порядка микрона), то между ними возникает взаимное притяжение. Сила притяжения обратно пропорциональна четвертой степени расстояния между пластинами, то есть с уменьшением расстояния резко возрастает. Но даже при субмикронных расстояниях она остается настолько малой, что экспериментально обнаружить эффект Казимира удалось только через десять лет после его предсказания, а провести непосредственные измерения — в 1996 году. Наиболее интересно то, что появление казимировского притяжения обусловлено свойствами вакуума — его квантовыми флуктуациями.

#1# В резонаторе, образованном двумя параллельными пластинами, могут существовать только волны, интенсивность которых на стенках резонатора равна нулю. Это означает, что на длине резонатора должно укладываться целое число полуволн.

Долгое время вакуум был синонимом полной пустоты, пространства, в котором ничего не происходит и происходить не может, так как в нем нет ни материальных частиц, ни энергии. Однако с развитием квантовой теории поля (квантовой электродинамики) выяснилось, что вакуум можно рассматривать как сцену, на которой разыгрываются некие виртуальные, то есть «ненаблюдаемые», процессы. Появился термин «физический вакуум», под которым понимают средоточие виртуальных частиц, непрерывно рождающихся на короткие мгновения и тут же исчезающих. В соответствии с современными представлениями, они рождаются пaрами «частица — античастица» и исчезают в результате аннигиляции. Так, виртуальная пара «электрон — позитрон» аннигилирует с образованием виртуального фотона, который снова превращается в электрон-позитронную пару и т.

Таким образом, вакуум оказывается не «пустым», а заполненным виртуальными частицами, которые не поддаются регистрации, но при определенных условиях становятся реальными — например, при наложении внешнего поля большой энергии. Кроме того, они могут оказывать действие на внесенные в вакуум реальные частицы и поля. Одним из таких действий и является эффект Казимира, суть которого, упрощенно говоря, сводится к следующему.

Согласно квантовой механике, в микромире каждая частица обнаруживает и волновые свойства. Это распространяется и на виртуальные частицы, причем нулевым колебаниям вакуума соответствуют различные длины волн.

Обеспечить параллельность пластинок при субмикронном зазоре чрезвычайно трудно, поэтому большинство экспериментов по исследованию эффекта Казимира проводили, заменяя одну из пластинок сферой. В этом случае сила притяжения обратно пропорциональна кубу расстояния между ней и пластинкой. В 1999 году такой эксперимент выполнили У. Мохидин и А. Рой в Калифорнийском университете. Притяжение между плоской и сферической металлическими поверхностями исследовали при помощи так называемого атомного силового микроскопа (см.

Другие исследования эффекта Казимира в конфигурации «плоскость — сфера» были выполнены в 2001 году группой физиков из Bell Laboratories и Lucent Technologies (Г. Чан и др.). Пластина, положенная на два параллельных тонких пьезоэлектрода, могла наклоняться в обе стороны относительно середины, образуя крутильный маятник с малой амплитудой, а сфера располагалась над одним из «крыльев» пластины. Выполненные измерения привели исследователей к выводу, что эффект Казимира будет играть роль неустранимой помехи в микромашинах будущего с движущимися частями. Как бы мы ни старались: устраняли электростатические силы, создавали между движущимися частями глубокий вакуум, чтобы избежать трения, отдельные детали механизма все равно станут притягиваться за счет силы Казимира!

Величина этой силы, однако, зависит от геометрии поверхностей. В случае пластин она всегда действует перпендикулярно их плоскости. В 1997 году физик из Массачусетского технологического института М. Кардар предположил, что, если две пластины сделать рифлеными, можно заставить силу Казимира действовать вдоль поверхности, пластины будут не притягиваться, а смещаться, чему можно найти полезное применение. И последний по времени эксперимент, выполненный в лаборатории Мохидина, подтвердил это. Экспериментаторы поместили две гофрированные золотые пластины в вакуум на расстоянии несколько сотен нанометров, совместив их выпуклости и вогнутости. Когда пластины немного сместили, появилась сила, возвратившая их в исходную позицию. Так впервые физики заставили «работать» вакуум с его виртуальными частицами. Продольная сила Казимира очень слаба (в эксперименте она составила несколько пиконьютонов) и быстро убывает с расстоянием, но Мохидин уверен, что в масштабах будущих квантовых компьютеров она вполне может приводить в действие наномашины.

Что такое эффект Казимира?

Науки | Ask The Experts

• June 22, 1998

• Share on Facebook

• Share on Twitter

• Share on Reddit

• Share on LinkedIn

• Share via Email

• Версия для печати

Исследователи элементарных частиц из Северо-восточного университета Стивен Ройкрофт и Джон Суэйн объединили свои усилия написать следующий ответ.

Чтобы понять Эффект Казимира, нужно сначала понять кое-что об вакуум в космосе, как он рассматривается в квантовой теории поля. Современная физика вовсе не пуста, а предполагает, что вакуум полон. флуктуирующих электромагнитных волн, которые никогда не могут быть полностью устранены, как океан с волнами, которые всегда присутствует и никогда не может быть остановлен. Эти волны бывают всех возможных длин волн, и их присутствие подразумевает, что пустое пространство содержит определенное количество энергии — энергии, которую мы не можем использовать, но которая всегда есть.

Теперь, если поставить зеркала обращенные друг к другу в вакууме, некоторые волны будут помещаться между ними, отскакивая туда-сюда, а другие — нет. Как два зеркала приближаются друг к другу, более длинные волны уже не подходят, в результате чего общее количество энергии в вакуум между пластинами будет немного меньше, чем в других местах вакуума. Таким образом, зеркала будут притягивать каждого с другой стороны, точно так же, как два объекта, удерживаемые вместе растянутой пружиной, будут двигаться вместе, когда энергия, запасенная в пружине, уменьшится.

Этот эффект, когда два зеркала в вакууме будут притягиваться друг к другу, называется эффектом Казимира. Впервые это было предсказано в 1948 год голландским физиком Хендриком Казимиром. Стив К. Ламоро, сейчас работающий в Лос-Аламосской национальной лаборатории, первоначально измерил крошечная сила в 1996 году.

В целом верно, что количество энергии в части вакуума может быть изменено материалом вокруг это, и термин «эффект Казимира» также используется в этом более широком контексте. Если зеркала движутся быстро, часть вакуумных волн могут стать настоящими волнами. Джулиан Швингер и многие другие предположили, что этот «динамический эффект Казимира» может быть отвечает за таинственное явление, известное как сонолюминесценция.

Один из самых интересных аспектов вакуума энергия (с зеркалами или без них) такова, что, вычисленная в квантовой теории поля, она бесконечна! Для некоторых этот вывод означает, что Космический вакуум может быть огромным источником энергии, называемой «нулевой точкой». энергии.»

Но открытие также поднимает физическую проблему: нет ничего, что могло бы помешать произвольно малым волнам соответствовать между двумя зеркалами, и существует бесконечное число этих длин волн. Математическое решение состоит в том, чтобы временно сделать расчет для конечного числа волн при двух разных расстояниях между зеркалами, найти соответствующую разницу в энергии вакуума, а затем утверждают, что разница остается конечной, поскольку число длин волн достигает бесконечности.

Хотя этот трюк работает и дает ответы, согласующиеся с экспериментом, проблема бесконечной энергии вакуума серьезный. Теория гравитации Эйнштейна подразумевает, что эта энергия должна создавать бесконечную гравитационную кривизну пространство-время — то, чего мы определенно не наблюдаем. Решение этой проблемы до сих пор остается открытым исследовательским вопросом.

Читать далее

Информационный бюллетень

Будьте умнее. Подпишитесь на нашу новостную е-мэйл рассылку.

Регистрация

Поддержите научную журналистику

Откройте для себя науку, которая изменит мир. Изучите наш цифровой архив с 1845 года, включая статьи более 150 лауреатов Нобелевской премии.

сила из ничего – Physics World

Сила притяжения между двумя поверхностями в вакууме, впервые предсказанная Хендриком Казимиром более 50 лет назад, может влиять на все, от микромашин до единых теорий природы.

Что произойдет, если взять два зеркала и расположить их так, чтобы они смотрели друг на друга в пустом пространстве? Ваша первая реакция может быть «вообще ничего». На самом деле оба зеркала притягиваются друг к другу просто из-за наличия вакуума. Это поразительное явление было впервые предсказано в 1948 году голландским физиком-теоретиком Хендриком Казимиром, когда он работал в исследовательской лаборатории Philips в Эйндховене над коллоидными растворами (см. вставку). Это явление теперь называют эффектом Казимира, а сила между зеркалами известна как сила Казимира.

В течение многих лет эффект Казимира был не более чем теоретической диковинкой. Но интерес к этому явлению возрос в последние годы. Физики-экспериментаторы поняли, что сила Казимира влияет на работу микромеханических устройств, а достижения в области приборов позволили измерять эту силу с еще большей точностью.

Новый энтузиазм вызвала и фундаментальная физика. Многие теоретики предсказывали существование «больших» дополнительных измерений в 10- и 11-мерных единых полевых теориях фундаментальных сил. Они говорят, что эти размеры могут изменить классическую ньютоновскую гравитацию на субмиллиметровых расстояниях. Таким образом, измерение эффекта Казимира может помочь физикам проверить обоснованность таких радикальных идей.

Казимир и коллоиды

Тот факт, что между двумя проводящими металлическими пластинами существует сила притяжения, впервые был предсказан в 1948 году Хендриком Казимиром из исследовательской лаборатории Philips в Нидерландах. Однако в то время Казимир изучал свойства «коллоидных растворов». Это вязкие материалы, такие как краска и майонез, которые содержат частицы микронного размера в жидкой матрице. Свойства таких растворов определяются силами Ван-дер-Ваальса — дальнодействующими силами притяжения, которые существуют между нейтральными атомами и молекулами. Один из коллег Казимира, Тео Овербик, понял, что теория, которая использовалась в то время для объяснения сил Ван-дер-Ваальса и была разработана Фрицем Лондоном в 1932 году, не могла должным образом объяснить экспериментальные измерения коллоидов. Поэтому Овербек попросил Казимира исследовать проблему. Работая с Дирком Полдером, Казимир обнаружил, что взаимодействие между двумя нейтральными молекулами может быть правильно описано, только если принять во внимание тот факт, что свет распространяется с конечной скоростью. Вскоре после этого Казимир заметил, что этот результат можно интерпретировать в терминах флуктуаций вакуума. Затем он спросил себя, что произошло бы, если бы в вакууме было два зеркала, а не две молекулы, обращенные друг к другу. Именно эта работа привела к его знаменитому предсказанию силы притяжения между отражающими пластинами.

Вернуться к тексту

Понимание силы Казимира

Хотя сила Казимира кажется совершенно нелогичной, на самом деле она хорошо изучена. В старые времена классической механики представление о вакууме было простым. Вакуум — это то, что останется, если очистить контейнер от всех его частиц и снизить температуру до абсолютного нуля. Однако появление квантовой механики полностью изменило наше представление о вакууме. Все поля, в частности электромагнитные поля, имеют флуктуации. Другими словами, в любой данный момент их действительное значение колеблется вокруг постоянного среднего значения. Даже идеальный вакуум при абсолютном нуле имеет флуктуирующие поля, известные как «вакуумные флуктуации», средняя энергия которых соответствует половине энергии фотона.

Однако флуктуации вакуума не являются какой-то абстракцией ума физика. Они имеют наблюдаемые последствия, которые можно непосредственно визуализировать в экспериментах на микроскопическом уровне. Например, атом в возбужденном состоянии не останется в нем бесконечно долго, а вернется в свое основное состояние, спонтанно испустив фотон. Это явление является следствием флуктуаций вакуума. Представьте, что вы пытаетесь держать карандаш вертикально на кончике пальца. Он останется там, если ваша рука совершенно устойчива и ничто не нарушает равновесия. Но малейшее возмущение заставит карандаш упасть в более устойчивое положение равновесия. Точно так же флуктуации вакуума заставляют возбужденный атом переходить в основное состояние.

Сила Казимира — самый известный механический эффект колебаний вакуума. Зазор между двумя плоскими зеркалами рассмотрим как полость (рис. 1). Все электромагнитные поля имеют характерный «спектр», содержащий множество различных частот. В свободном вакууме все частоты одинаково важны. Но внутри полости, где поле отражается между зеркалами туда-сюда, ситуация иная. Поле усиливается, если целые числа, кратные половине длины волны, могут точно поместиться внутри резонатора. Эта длина волны соответствует «резонансу полости». На других длинах волн, напротив, поле подавлено. Вакуумные флуктуации подавляются или усиливаются в зависимости от того, соответствует ли их частота резонансу резонатора или нет.

Важной физической величиной при обсуждении силы Казимира является «радиационное давление поля». Каждое поле — даже поле вакуума — несет энергию. Поскольку все электромагнитные поля могут распространяться в пространстве, они также оказывают давление на поверхности, подобно тому, как текущая река толкает шлюз. Это радиационное давление увеличивается с энергией — и, следовательно, с частотой — электромагнитного поля. На резонансной частоте резонатора радиационное давление внутри резонатора сильнее, чем снаружи, и поэтому зеркала раздвигаются. Вне резонанса, напротив, радиационное давление внутри резонатора меньше, чем снаружи, и зеркала притягиваются друг к другу.

Получается, что в целом привлекательные компоненты оказывают чуть более сильное воздействие, чем отталкивающие. Таким образом, для двух идеальных плоских параллельных зеркал сила Казимира притягивается, и зеркала притягиваются друг к другу. Сила F пропорциональна площади поперечного сечения A зеркал и увеличивается в 16 раз каждый раз, когда расстояние d между зеркалами уменьшается вдвое: F ~ A / д ⁴ . Помимо этих геометрических величин сила зависит только от фундаментальных величин – постоянной Планка и скорости света.

Хотя сила Казимира слишком мала, чтобы ее можно было наблюдать для зеркал, находящихся на расстоянии нескольких метров друг от друга, ее можно измерить, если зеркала находятся в микронах друг от друга. Например, два зеркала площадью 1 см 90 135 2 90 136, разделенные расстоянием 1 мкм, обладают силой притяжения Казимира, равной примерно 10 90 135 -7 90 136 Н, что примерно соответствует весу капли воды диаметром полмиллиметра. Хотя эта сила может показаться небольшой, на расстояниях меньше микрометра сила Казимира становится самой сильной силой между двумя нейтральными объектами. Действительно, при расстоянии 10 нм — примерно в сто раз больше типичного размера атома — эффект Казимира создает давление, эквивалентное 1 атмосфере.

Хотя мы не имеем дело с такими малыми расстояниями напрямую в нашей повседневной жизни, они важны в наноразмерных структурах и микроэлектромеханических системах (МЭМС). Это «интеллектуальные» устройства микронного размера, в которых механические элементы и движущиеся части, такие как крошечные датчики и приводы, вырезаны на кремниевой подложке. Затем к устройству подключаются электронные компоненты для обработки информации, которую оно воспринимает, или для управления движением его механических частей. МЭМС имеют множество возможных применений в науке и технике и уже используются в качестве датчиков давления в автомобильных подушках безопасности.

Рисунок 2

Поскольку устройства МЭМС изготавливаются в микронном и субмикронном масштабе, сила Казимира может заставить крошечные элементы в устройстве слипаться, как недавно сообщили Майкл Рукс и его коллеги из Калифорнийского технологического института ( 2001 Phys. Rev. B 63 033402). Но сила Казимира также может быть использована с пользой. В прошлом году Федерико Капассо и его группа в Lucent Technologies продемонстрировали, как можно использовать силу для управления механическим движением МЭМС-устройства (2001 г., 9).0051 Наука 291 1941). Исследователи подвешивали поликремниевую пластину к торсионному стержню — крутящемуся горизонтальному стержню диаметром всего несколько микрон (рис. 2). Когда они приблизили металлизированную сферу к пластине, сила притяжения Казимира между двумя объектами заставила пластину вращаться. Они также изучили динамическое поведение устройства MEMS, заставив пластину колебаться. Сила Казимира уменьшила скорость колебаний и привела к нелинейным явлениям, таким как гистерезис и бистабильность в частотной характеристике генератора. По словам команды, поведение системы хорошо согласуется с теоретическими расчетами.

Измерение эффекта Казимира

Когда эффект Казимира был впервые предсказан в 1948 году, его было очень трудно измерить с помощью оборудования того времени. Один из первых экспериментов был проведен в 1958 году Маркусом Спаарнеем из Philips в Эйндховене, который исследовал силу Казимира между двумя плоскими металлическими зеркалами, сделанными из алюминия, хрома или стали. Спаарней измерил силу с помощью пружинных весов, удлинение которых определялось емкостью двух пластин. Чтобы сила Казимира не была заглушена электростатической силой, зеркала должны были оставаться нейтральными, сначала касаясь их друг друга перед каждым измерением. Спаарне также должен был следить за тем, чтобы плоские зеркала были точно параллельны друг другу, поскольку сила Казимира очень чувствительна к изменениям расстояния. Спаарне сумел преодолеть эти трудности и пришел к выводу, что его результаты «не противоречат теоретическому предсказанию Казимира».

Однако с тех пор сложное оборудование значительно облегчило изучение эффекта Казимира. Новое поколение измерений началось в 1997 году. Стив Ламоро, который тогда работал в Вашингтонском университете в Сиэтле, измерил силу Казимира между сферической линзой диаметром 4 см и оптической кварцевой пластиной диаметром около 2,5 см, обе из которых были покрыты медь и золото. Линза и пластина были соединены с торсионным маятником — крутящимся горизонтальным стержнем, подвешенным на вольфрамовой проволоке, — помещенным в цилиндрический сосуд под вакуумом. Когда Ламоро соединил линзу и пластину с расстоянием в несколько микрон друг от друга, сила Казимира сблизила два объекта и заставила маятник закрутиться. Он обнаружил, что его экспериментальные измерения согласуются с теорией с точностью до 5%.

Рисунок 3

Вдохновленные открытием Ламоро, многие другие исследователи попробовали новые измерения Казимира. Умар Мохидин и его коллеги из Калифорнийского университета в Риверсайде, например, прикрепили полистироловую сферу диаметром 200 мкм к наконечнику атомно-силового микроскопа (рис. 3). В серии экспериментов они приблизили сферу, покрытую алюминием или золотом, к плоскому диску, также покрытому этими металлами, на расстояние 0,1 мкм. Возникающее притяжение между сферой и диском контролировалось по отклонению лазерного луча. Исследователи смогли измерить силу Казимира с точностью до 1% от ожидаемого теоретического значения.

Рисунок 4

Томас Эдерт из Королевского технологического института в Стокгольме, Швеция, также использовал атомно-силовой микроскоп для изучения эффекта Казимира. Он измерил силу между двумя покрытыми золотом цилиндрами, расположенными под углом 90° друг к другу и отстоящими друг от друга всего на 20 нм. Его результаты совпали с теорией в пределах 1% (рис. 4).

Однако очень немногие недавние эксперименты измеряли силу Казимира с использованием исходной конфигурации двух плоских параллельных зеркал. Причина в том, что зеркала должны быть идеально параллельны во время эксперимента, что сложно. Гораздо проще приблизить сферу к зеркалу, потому что расстояние между двумя объектами — это просто расстояние наибольшего сближения. Единственным недостатком использования сферы и плоского зеркала является то, что расчеты силы Казимира не так точны, как расчеты между двумя плоскими зеркалами. В частности, следует предположить, что вклады в силу между сферой и пластиной совершенно независимы в каждой точке. Это верно только в том случае, если радиус сферы намного больше, чем расстояние между ней и пластиной.

Единственный недавний эксперимент по воспроизведению оригинальной установки Казимира из двух плоских параллельных зеркал был проведен Джанни Каруньо, Роберто Онофрио и их коллегами из Падуанского университета в Италии. Они измерили силу между жесткой пластиной с хромированным покрытием и плоской поверхностью кантилевера из того же материала, которые были разделены расстояниями в диапазоне 0,5-3 мкм (G Bressi et al. 2002 Phys. Rev. Lett. 88 041804). Исследователи обнаружили, что измеренная сила Казимира согласуется с ожидаемым теоретическим значением в пределах 15%. Это относительно плохое соответствие отражало технические трудности, связанные с экспериментом.

Улучшенные расчеты

Проблема с изучением эффекта Казимира заключается в том, что настоящие зеркала не похожи на идеально гладкие плоские зеркала, которые изначально рассматривал Хендрик Казимир. В частности, настоящие зеркала не отражают все частоты идеально. Некоторые частоты они отражают хорошо или даже почти идеально, тогда как другие отражают плохо. Кроме того, все зеркала становятся прозрачными на очень высоких частотах. При расчете силы Казимира необходимо учитывать частотно-зависимые коэффициенты отражения зеркал – проблема, впервые поставленная Евгением Лифшицем в середине 19-го века.50-х, а затем Юлиана Швингера и многих других.

Оказывается, измеренная сила Казимира между реальными металлическими зеркалами, находящимися на расстоянии 0,1 мкм друг от друга, составляет лишь половину теоретического значения, предсказанного для идеальных зеркал. Если это несоответствие не учитывать при сравнении экспериментальных данных с теорией, то экспериментальное измерение может быть ошибочно интерпретировано как новая сила. Мой коллега Серж Рейно и я учли реальное поведение зеркал в наших расчетах, используя физические свойства самих металлов. Мы обнаружили, что простые твердотельные модели зеркал соответствуют реальному поведению только выше 0,5 мкм.

Еще одна проблема с вычислением ожидаемой силы Казимира для реальной системы заключается в том, что эксперименты никогда не проводятся при абсолютном нуле, как изначально предполагалось в расчетах Казимира, а при комнатной температуре. Это приводит к тому, что в игру вступают как тепловые, так и вакуумные флуктуации. Эти тепловые флуктуации могут создавать собственное радиационное давление и создавать большую силу Казимира, чем ожидалось. Например, сила Казимира между двумя плоскими зеркалами, находящимися на расстоянии 7 мкм друг от друга, вдвое больше при комнатной температуре, чем при абсолютном нуле. К счастью, тепловые флуктуации при комнатной температуре важны только на расстояниях более 1 мкм, ниже которых длина волны флуктуаций слишком велика, чтобы поместиться внутри резонатора.

Несмотря на то, что температурная зависимость силы Казимира еще не изучена подробно экспериментально, ее необходимо учитывать при расчетах силы при расстояниях более 1 мкм. Многие исследователи решали эту проблему для идеально отражающих зеркал, в том числе Лифшиц и Швингер еще в 1950-х годах. Недавно его исследовали Майкл Бордаг из Лейпцигского университета, Бо Сернелиус из Линчепингского университета в Швеции, Галина Климчицкая и Владимир Мостепаненко из Университета Параиба в Бразилии, а также наша группа в Париже. Действительно, температурная зависимость силы Казимира некоторое время была предметом горячих споров в обществе. Однако теперь различные противоречия, по-видимому, разрешились, и это придало дополнительную мотивацию экспериментальному наблюдению влияния температуры на силу Казимира.

Третья и последняя проблема при вычислении силы Казимира заключается в том, что настоящие зеркала не бывают идеально гладкими. Большинство зеркал изготавливается путем покрытия подложки тонкой металлической пленкой методом «напыления». Однако при этом получаются пленки с шероховатостью около 50 нм. Хотя такая шероховатость невидима невооруженным глазом, она влияет на измерения силы Казимира, которая очень чувствительна к небольшим изменениям расстояния.

Мохидин и его группа в Калифорнии недавно использовали поверхностные деформации, чтобы показать, что две поверхности также могут иметь боковую силу Казимира, которая действует в параллельном, а не перпендикулярном направлении к поверхности зеркал. Для опытов были изготовлены специально гофрированные зеркала, поверхности которых были синусоидально изогнуты. Затем они перемещали зеркала параллельно друг другу так, чтобы пик одного зеркала последовательно проходил над пиками и впадинами другого зеркала. Исследователи обнаружили, что боковая сила Казимира изменяется синусоидально в зависимости от разности фаз между двумя гофрами. Величина силы была примерно в десять раз меньше, чем обычная сила Казимира между двумя зеркалами, находящимися на таком же расстоянии друг от друга. Боковая сила также возникает из-за флуктуаций вакуума.

Мехран Кадар и его коллеги из Массачусетского технологического института рассчитали теоретическое значение силы между двумя идеально отражающими гофрированными зеркалами, а Мохидин и его коллеги оценили боковую силу для металлических зеркал и нашли хорошее совпадение с экспериментом. Боковая сила Казимира может иметь еще одно следствие для микромашин.

Новая физика?

Эффект Казимира также может играть роль в точных измерениях силы между нанометровым и микрометровым масштабами. Ньютоновский закон обратных квадратов всемирного тяготения многократно проверялся на макроскопических расстояниях путем наблюдения за движением планет. Но до сих пор никому не удалось проверить закон на микронных масштабах с большой точностью. Такие тесты важны, потому что многие теоретические модели, пытающиеся объединить четыре фундаментальные силы природы, предсказывают существование ранее неизвестных сил, которые будут действовать в таких масштабах. Любое расхождение между экспериментом и теорией могло указывать на существование новых сил. Но не все потеряно, даже если оба значения совпадают: тогда измерения наложат новые ограничения на существующие теории.

Йенс Гундлах и его коллеги из Вашингтона, например, использовали торсионный маятник для определения гравитационной силы между двумя тестовыми массами, разделенными расстояниями от 10 мм до 220 мкм. Их измерения подтвердили, что в этом режиме действует ньютоновская гравитация, но на более коротких расстояниях доминирует сила Казимира. Тем временем Джошуа Лонг, Джон Прайс и их коллеги из Университета Колорадо — вместе с Эфраимом Фишбахом и коллегами из Университета Пердью — пытаются полностью исключить эффект Казимира из субмиллиметровых испытаний гравитации, тщательно выбирая материалы, используемые в эксперименте. .

Эта статья дает только представление о многих экспериментальных и теоретических исследованиях эффекта Казимира. Есть и много других интересных разработок. Например, многие группы изучают, что произойдет, если взаимодействие между двумя зеркалами опосредуется не электромагнитным полем, состоящим из безмассовых бозонов, а полями, состоящими из массивных фермионов, таких как кварки или нейтрино. Тем временем другие исследовательские группы изучают эффект Казимира с различными топологиями, такими как ленты Мёбиуса и объекты в форме пончиков.

Но, несмотря на интенсивные усилия исследователей в этой области, остается много нерешенных проблем, связанных с эффектом Казимира. В частности, кажущийся невинным вопрос о силе Казимира внутри одной полой сферы до сих пор является предметом оживленных споров.