Το φαινόμενο Casimir

water-1761027_1920

Η κβαντομηχανική αδιαμφισβήτητα ήταν μία από τις μεγαλύτερες ανακαλύψεις του 20ου αιώνα στο χώρο της φυσικής και των θετικών επιστημών γενικότερα.

H.B.G. Casimir, 1948

Τα αξιώματά της ήταν τόσο αντίθετα προς την ανθρώπινη λογική και διαίσθηση, που ακόμα και οι ίδιοι επιστήμονες δυσκολεύτηκαν να κατανοήσουν πλήρως τον τρόπο λειτουργίας της φύσης στο μικρόκοσμο. Έπειτα, το γεγονός πως η κβαντομηχανική κάνει την εμφάνιση της στο μικρόκοσμο, κάνει δύσκολο για εμάς να δούμε και να κατανοήσουμε άμεσα τα αποτελέσματά της, στο μακρόκοσμο τον οποίο ζούμε. Ωστόσο, το φαινόμενο Casimir είναι μία από τις λίγες εξαιρέσεις στην οποία τα κβαντικά φαινόμενα εμφανίζονται πέρα από την ατομική κλίμακα, και έτσι μας εντυπωσιάζουν ακόμα περισσότερο.  

Τι είναι όμως το φαινόμενο Casimir; 

Το φαινόμενο Casimir περιγράφει την έλξη μεταξύ δύο αφόρτιστων αγώγιμων παράλληλων πλακών όταν αυτές τοποθετηθούν στο κενό, και προτάθηκε για πρώτη φορά από τον H.B.G. Casimir το 1948. 

Εδώ αξίζει να σημειώσουμε το περίεργο του φαινομένου αυτού: Πώς είναι δυνατόν δύο αφόρτιστες πλάκες να έλκουν η μία την άλλη αφού καμία από τις δύο δεν φέρει κάποιο φορτίο; Γνωρίζουμε από τον ηλεκτρομαγνητισμό πως για να υπάρξει ελκτική δύναμη μεταξύ δύο αντικειμένων θα πρέπει αυτά να είναι ετερόσημα φορτισμένα (δηλαδή με αντίθετο φορτίο). Ωστόσο, στην περίπτωσή μας, καμία από τις δύο πλάκες δε φέρει κάποιο φορτίο και άρα θα περίμενε κανείς πως αν τις τοποθετήσουμε στο κενό δε θα συμβεί τίποτα μεταξύ τους. Για να απαντήσουμε λοιπόν στο ερώτημα του τι δημιουργεί την έλξη, θα πρέπει πρώτα να καταλάβουμε τι σημαίνει κενό στην κβαντική φυσική. 

Από την κλασική καθημερινή εμπειρία μας, σκεφτόμαστε πως για να δημιουργήσουμε κενό χώρο θα πρέπει να αφαιρέσουμε οποιαδήποτε μόρια και άτομα υπάρχουν γύρω μας. Ακόμα, θα πρέπει να αφαιρέσουμε όλα τα φωτόνια που θα παραμένουν (μαζί με όλη τη θερμική ενέργεια) και τότε θα έχουμε καταφέρει να δημιουργήσουμε έναν πραγματικά κενό χώρο. Μέχρι εδώ, η διαίσθηση μας συμβαδίζει με αυτό που αποκαλούμε κοινή λογική και έτσι θεωρούμε πως σε αυτό το κενό δε συμβαίνει απολύτως τίποτα. Σε αυτό το σημείο όμως, έρχεται η κβαντική φυσική και συγκεκριμένα η αρχή της απροσδιοριστίας για να μας διορθώσει. Σύμφωνα με την αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg (και συγκεκριμένα της αβεβαιότητας χρόνου-ενέργειας), είναι αδύνατο σε ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα να έχουμε ακριβής γνώση της ενέργειας ενός συστήματος. Αυτό έχει ως επακόλουθο να επιτρέπονται οι παραβιάσεις της ενέργειας σε ένα σύστημα για ένα δεδομένο χρονικό διάστημα. Εδώ αισθάνομαι ότι χρειάζεται να γίνω λίγο πιο σαφής χρησιμοποιώντας μόνο την παρακάτω μαθηματική σχέση: ΔE∗Δt ≥ h/4π

Όπου: το ΔΕ εκφράζει τις διακυμάνσεις της ενέργειας, το Δt είναι το χρονικό διάστημα που συμβαίνουν αυτές οι διακυμάνσεις, και h είναι η γνωστή σταθερά του Planck. Έτσι, δοσμένου Δt υπάρχει πάντα κάποιο ΔΕ, δηλαδή μια διακύμανση της ενέργειας πρακτικά από το πουθενά, τέτοια ώστε το γινόμενο ΔΕ*Δt να είναι μεγαλύτερο του h/4π

Αυτό μας οδηγεί στο συμπέρασμα πως ακόμα και στον κενό χώρο είναι επιτρεπτές οι ενεργειακές διακυμάνσεις, με αποτέλεσμα να γεννιούνται και να καταστρέφονται συνεχώς ζεύγη σωματιδίων ή και φωτόνια. Επομένως, αντιλαμβανόμαστε πως ο κενός χώρος δεν είναι και τόσο κενός όσο τελικά νομίζαμε!  

Αναπαράσταση των διακυμάνσεων του κενού μέσα και έξω από τις πλάκες

Πώς όμως σχετίζεται το φαινόμενο Casimir με τις διακυμάνσεις αυτές; Το φαινόμενο Casimir είναι το πιο άμεσο αποτέλεσμα των διακυμάνσεων του κενού που μπορεί να μετρηθεί πειραματικά. Όταν φέρνουμε τις δύο παράλληλες πλάκες κοντά τη μία στην άλλη δημιουργούμε μία κοιλότητα, μέσα στην οποία το πεδίο που δημιουργείται μέσω των διακυμάνσεων ανακλάται μεταξύ των πλακών. 

Να τονίσουμε πως όταν λέμε κοντά εννοούμε σε αποστάσεις περίπου ενός μικρομέτρου, δηλαδή σε μεγέθη ισοδύναμα ενός κόκκου σκόνης.  

Όμως, τα φωτόνια που δημιουργούνται έξω από τις πλάκες είναι πολύ περισσότερα συγκριτικά με αυτά που εμφανίζονται μεταξύ των πλακών, αφού ο ενδιάμεσος αυτός χώρος είναι αυστηρά περιορισμένος. 

Οι άσπρες γραμμές που φαίνονται σαν μουτζούρα αντιστοιχούν σε ένα στιγμιότυπο παραβίασης της διατήρησης της ενέργειας, και άρα γέννησης σωματιδίων-φωτονίων. Παρατηρήστε πως τα φωτόνια-γραμμές έξω από τις πλάκες είναι πολύ περισσότερα από τα ενδιάμεσα.

 Αυτό έχει ως αποτέλεσμα η πίεση που ασκείται εξωτερικά των πλακών να είναι μεγαλύτερη από αυτή που ασκείται από τα ενδιάμεσα φωτόνια, και έτσι οι δύο πλάκες να έλκουν η μία την άλλη. 

Η δύναμη που περιγράψαμε παραπάνω λόγω φαινομένου Casimir μετρήθηκε πειραματικά το 1997 από τον Steve Lamoreaux και έτσι επιβεβαιώθηκε η θεωρητική πρόβλεψη του Casimir έπειτα από περίπου 50 χρόνια. Αξίζει να σημειώσουμε πως η δύναμη Casimir είναι ανάλογη της επιφάνειας των πλακών, ενώ αυξάνεται κατά 16 φορές αν υποδιπλασιάσουμε την απόσταση τους. Για το λόγο αυτό, προκειμένου να έχουμε κάποια υπολογίσιμη και μετρήσιμη δύναμη, πρέπει να φέρουμε τις δύο πλάκες αρκετά κοντά σε αποστάσεις της τάξης του ενός μικρομέτρου. Μάλιστα, αν η απόσταση γίνει ίση με 10 νανόμετρα (δηλαδή ένα εκατοστό του μικρομέτρου), τότε η δύναμη που αναπτύσσεται είναι περίπου ίση με τη δύναμη που προκαλεί η ατμοσφαιρική πίεση στην ίδια επιφάνεια. 

Επιπρόσθετα, το φαινόμενο Casimir κάθε άλλο παρά απαρχαιωμένο είναι, αφού πιθανότατα να βοηθήσει τους επιστήμονες στην ανακάλυψη μιας νέας φυσικής. Και αυτό γιατί πολλές επιστημονικές θεωρίες προβλέπουν την ύπαρξη επιπλέον μικροσκοπικών δυνάμεων. Μάλιστα, σε τέτοιες κλίμακες, η δύναμη Casimir μεταξύ των δύο πλακών υπερισχύει έναντι της αντίστοιχης βαρυτικής και όπως φαίνεται θα παίξει κυρίαρχο ρόλο σε ενδεχόμενα πειράματα για πιθανή ανακάλυψη νέων δυνάμεων. Εκτός αυτού, νέα ερωτήματα γεννιούνται για τη φύση της δύναμης Casimir σε άλλες τοπολογίες, όπως για παράδειγμα σε σχήματα που έχουν τη μορφή ντόνατ. 

Συμπερασματικά, με έναυσμα το φαινόμενο Casimir η σύγχρονη φυσική φαντάζει ενδιαφέρουσα, συναρπαστική και πολλά υποσχόμενη.

Δείτε στο παρακάτω βίντεο μια εντυπωσιακή προσομοίωση του φαινομένου Casimir με κύματα παραγόμενα σε νερό:

Πηγές:

  1. Lambrecht, A. (2002).The Casimir effect: a force from nothing. Physics World. Ανακτήθηκε από: https://physicsworld.com/a/the-casimir-effect-a-force-from-nothing/?fbclid=IwAR1FHALOa_-ITm9bP7qGuR_JM6m8zOO3VT1j0OmxeOgvLGE9fgR2SEUg_z4 
  2. Milton, K.A. (2001). Physical Manifestations of Zero Point-Energy: The Casimir Effect. University of Oklahoma, USA. World Scientific.
  3. Jaffe, R.L. (2005). The Casimir Effect and the Quantum Vacuum. Ανακτήθηκε από:http://inspirehep.net/record/678785?ln=el&fbclid=IwAR34iGFOM_luBWqWmp6pxK8OXTo5qYKyGD5RVyTE52pbZsJycsbwCJAw_r4 
  4. Bordag, M., & Mohideen, U., & Mostepanenko, V.M. (2001). New Developments in the Casimir Effect. Ανακτήθηκε από: http://inspirehep.net/record/558120 
  5. Τραχανάς, Σ. (2005). Κβαντομηχανική 1: Θεμελιώδεις αρχές-Απλά συστήματα-Δομή της ύλης. Ηράκλειο Κρήτης. Πανεπιστημιακές εκδόσεις Κρήτης. 
  6. https://web.archive.org/web/20040604161012/http://www.casimir.rl.ac.uk/default.htm 
  7. https://www.youtube.com/watch?v=IRcmqZkGOK4&t=202s 
Ακολουθείστε μας και χαρίστε μας ένα like:
Close Menu