Efekt Casimira i energia próżni

Technologie.Nauka.

W 1948 roku holenderski fizyk Hendrik Casimir odkrył  zjawisko (nazwane później efektem Casimira ) przyciagania się dwóch płytek metalowych( z tego samego materiału ,ustawionych równolegle względem siebie i umieszczonych w -maksymalnej technicznie- próżni.

Przez następne lata potwierdzono istnienie tego efektu np. Steve K. Lamoreaux, w 1996 roku w Los Alamos National Laboratory,stwierdził znikomość tych sił, oraz ich wzrost ze zmniejszeniem odległości płytek do kilku nanometrów.

 Efekt Casimira dowodzi,że próżnia nie jest pusta, ale wypełniona kwantowymi fluktuacjami fotonów pola elektromagnetycznego. Różnica ciśnienia tych fluktuacji (równoważna sile Casimira) w przestrzeniach między płytkami i poza nimi , jest wywołana falami stojącymi"psi" wirtualnych fotonów, znajdujących się między płytkami, i brakiem takich fal w przestrzeni poza płytkami.

Stojące fale, obojętnie jakiej natury : mechaniczne, elektromagnetyczne, lub fale prawdopodobieństwa "psi" , to rodzaj fal powstających w ogranicznej przestrzeni dzięki dwóm zjawiskom:

-odbiciu fal ze zmianą fazy na przeciwną od "granic ''' przestrzeni, a następnie interferencji dwóch ciągów fal: fal odbitych, z falami biegnącymi do "granic" przestrzeni. Fala "psi" wirtualnego fotonu ,który znalazł się między płytkami , staje się stojąca tylko wtedy, gdy jej długość "lambda"spełnia warunek:

d = N* lambda/2  ,   gdzie d-odległość płytek, N= 1,2,3,....

W ograniczonej przestrzeni jest więc mniej wirtualnych fotonów( są tylko o takiej dł€gości fali "psi" , która spełnia podany wyżej warunek matematyczny),a w nieograniczonej przestrzeni poza płytkami - bardzo dużo o dowolnych długościach fal "psi".Róznica w ich gęstości, daje ciśnienie próżni na płytki,które to ciśnienie interpretujemy jako przyciąganie się płytek.

Całkiem niedawno pojawiło się potwierdzenie modelu teoretycznego powstawania efektu Casimira[1].Qing-Dong Jiang z Uniwersytetu w Sztokholmie i Frank Wilczek( noblista, pochodzenia polskiego), z Massachusetts Institute of Technology w Cambridge, pokazali teoretycznie , że siły Casimira mogą być nie tylko przyciagajace, lecz takze odpychające, oraz bardzo duże i technicznie - sterowalne,a to wszystko uzyskuje się przez wstawienie między płytki sobstancji zmieniających chiralność wirtualnych fotonów[2].

Chiralność fotonu polega na tym ,że jest asymetryczny zwierciadlanie.Foton jest chilarny , ponieważ nie jest identyczny ze swoim zwierciadlanym obrazem.To znaczy, nie można pokryć fotonu i jego obrazu zwierciadlanego za pomocą przesunięć i obrotów w przestrzeni o tej samej liczbie wymiarów,tylko trzeba dokonać tych przekształceń w przestrzeni o większej liczbie wymiarów.Kula nie jest obiektem chilarnym (achilarność),lecz dłoń człowieka ma własność chilarności,a oddziaływanie słabe jest też chiralne.

Fotony poruszające się po liniach śubowych prawo-kołowych i lewo-kołowych mają własności identyczne np.taką samą prędkość i pęd. Jiang i Wilczek zauważyli, że są jednak materiały, które łamią tę symetrię, i ​​fotony o różnej chiralności zachowują się - przechodząc przez te materiały - różnie.

 Ten "chiralny" materiał spowodowałby, że dwa typy fotonów miałyby różne prędkości, i w konsekwencji każdy z nich przenosiłby inną wielkość pędu na płytki.Obliczenia Qing-Dong Jianga i Wilczka dowodza, że kwantowy efekt Casimira jest sterowalny przez materiał chiralny między płytkami zależnie od planowanych zastosowań praktycznych.Ciekawe komu uda się potwierdzić tę hipotezę doświadczalnie?

Odkrycie teoretyczne Jianga i Wliczka stawia pod znakiem zapytania inną hipotezę wyjaśniajacą efekt Casimira,hipotezę bardzo popularną i o doniosłych konsekwencjach w kosmologii.

Od kilkudziesięciu lat z efektem Casimira, powiązano fundamentalną ideę fizyki kwantowej o tak zwanej energii zerowej próżnii i jej kategorialnych konsekwencjach: ciemnej energii oraz grawitacji odpychajacej.Sam Hendrik Casimir,odkrywca efektu ,wyjaśniał to zjawisko,  poslugując się pojęciem i wzorami energii zerowej próżni.

To, że próżnia powinna mieć niezerową,dodatnią energię wynika z kwantowej teorii pola ( QFT).Wramach QFT pole rozkłada się na mody drgające /wibracyjne,z których każdy reprezentuje określoną wartość energii zgodnie z formułą Plancka E = h*n f gdzie h-stała Plancka,f-czestotliwośćmodu.Wśród różnych modów, występuje mod o najniższej wartości eneergii (nie zerowej) i ją nazywamy energią punktu zerowego.

Dla różnych rodzajów modów występują różne minima energetyczne, a ich suma dla wszystkich rodzajów pól w przestrzeni jest tym, co nazywamy energią próżni.

Jednak już przy obliczeniach tej sumy przez Casimira ,przy założeniu,że różnica energii próżni między płytkami, a energią próżni tła( poza płytkami) jest przyczyną odkrytego efektu, natrafiono na rozbieżne szeregii : energia próżni uciekała do nieskończonosci. Dowcipny  chwytmatematyczny zwany przedłużeniem  analitycznym nie  mażadnego odniesienia  do fizyki  próżni.

Od czasu pracy Roberta L. Jaffe w roku 2005 ,ostatecznie porzucono przypowiesć, że efekt Casimira potwierdza eksperymentalnie hipotezę energii próżni [3[.Hipoteza ta ma obecnie złote lata w kosmologii pod postacią stałej kosmologicznej,ciemnej energii i grawitacji odpychającej.Ale kto potrafi wykazać, że kosmologia to eksperymentalna i obserwacyjna nauka przyrodnicza ?

Literatura

[1] Qing-Dong Jiang , Frank Wilczek,Chiral Casimir forces: Repulsive, enhanced, tunable,Phys. Rev. B 99, 125403 , 4 .03. 2019

[2]Fizykomaniak,Helicity & chilarity fotonów oraz cząstek elementarnych,W nauce i gdzie indziej,11lutego,2016

[3]R.L.Jaffe,Casimir effect and the quantum vacuum,Physical Review,D 72:021301