Вакуумната енергия: от ефекта на Казимир до космическите кораби на бъдещето

Експериментът на Казимир показва, че вакуумът не е празен, а е изпълнен с виртуални частици.

Идеята на Хендрик Казимир за провеждане на практическия експеримен съвсем не е сложна е проста. Необходимо е да се доближат два метални предмета и да се изчака. Без никакви външни сили, без тласкане и дърпане, без гравитация, напрежение или магнетизъм, предметите ще започнат да се сближават един към друг. Причината за това е неизчерпаемият източник на вибрации, който се намира в самия вакуум на пространство-времето.

Този революционен експеримент е предложен за първи път от Казимир непосредствено след Втората световна война. Но е осъществен едва преди 25 години. Той отваря пътя на учените към наблюдаване на проявленията на квантовата теория в реалността, на практика. Квантовите полета и техните вибрации са в основата на съвременното ни разбиране за физиката – от субатомните взаимодействия до еволюцията на цялата Вселена. Благодарение на работата на Казимир научихме, че във вакуума на пространството прониква безкрайна енергия. В научната фантастика има много идеи за използване на енергията на вакуума за задвижване на космически кораби или други усъвършенствани задвижващи системи. Такова е например уарп задвижването. Въпреки че тези идеи засега остават мечти, интересно е, че един прост експеримент, замислен през 1948 г., разпали въображението и разбирането ни за Вселената.

Казимир, холандски физик, прекарва годините на следдипломната си квалификация със своя ментор Нилс Бор. Нилс Бор е един от основателите на квантовата физика и е запленен от тази нова, необичайна теория за космоса. Но с развитието на квантовата теория тя започва да предлага някои изключително странни твърдения за Вселената. Квантовият свят е странен и неговата изключителна странност обикновено е невидима за нас. Той действайки в мащаби, много по-малки от нормалното ни човешко възприятие или експериментиране. Казимир се запитал как бихме могли да проверим тези идеи.

Той открива много необичаен метод за измерване на въздействието на безкрайните квантови полета, които проникват във всичко около нас. Използват се просто малки метални пластини, разположени на изключително малки разстояния една от друга. Това изследване показва, че квантовите явления могат да се проявяват по наистина забележителни начини, които са достъпни за наблюдение и измерване. Нещо повече, то потвърди, че квантовата странност е обективна реалност, която не може да бъде отричана или пренебрегвана. Доказа се, че колкото и необичайни да изглеждат прогнозите на квантовата механика за функционирането на Вселената, те имат твърда основа и трябва да бъдат признати. По този начин квантовите полета, макар и да изглеждат необичайни, всъщност са абсолютна реалност, с която се сблъскваме ежедневно.

Един от уроците на квантовия свят е, че частици като електроните, фотоните, неутриното и други всъщност не са това, което ни се струва, че са. Вместо това всяка от частиците, които виждаме в природата, всъщност е само част от много по-голяма, по-величествена същност. Тези величествени същности са известни като квантови полета. А полетата проникват във всяка частица от пространството и времето във Вселената така, както маслото и зехтинът проникват в една филийка хляб.

За всеки вид частица съществува квантово поле: едно поле за електроните, друго за фотоните и т.н. Тези полета са невидими за нас, но те съставляват фундаменталните градивни елементи на съществуването. Те постоянно вибрират и жужат. Когато полетата вибрират с достатъчно енергия, се появяват частици. Когато полетата отслабнат, частиците изчезват. С други думи, това, което наричаме „частица“, всъщност е локализирана вибрация на квантово поле. Когато две частици си взаимодействат, това всъщност е взаимодействие на две късчета от квантови полета.

Всъщност не съществува такова нещо като абсолютен вакуум. Където и да отидете, винаги има вибриращи квантови полета. Тези квантови полета винаги вибрират, дори когато тези вибрации не са достатъчно силни, за да създадат частица. Ако вземете една кутия и извадите от нея цялата материя – всички електрони, всички фотони, всички неутрино, всичко – кутията все още ще бъде изпълнена с тези квантови полета. Тъй като тези полета вибрират дори в изолация, това означава, че кутията е изпълнена с невидима вакуумна енергия, известна още като енергия на нулевата точка. Това е енергията на тези фундаментални вибрации.

Всъщност възможно е да се изчисли колко вибрации се съдържат във всяко от тези квантови полета….. и отговорът е безкрайност! Съществуват малки, средни, големи и гигантски, като всички те непрекъснато се наслагват едно върху друго, сякаш самото пространство-време кипи на субатомно ниво. Това означава, че вакуумът на Вселената наистина е съставен от нещо. Не съществува такова нещо като абсолютен вакуум; където и да отидете, винаги има вибриращи квантови полета.

Именно тук се появява експериментът на Казимир. Ако вземете две метални плочи и ги приближите много, много близо една до друга, квантовите полета между тези плочи трябва да се държат по определен начин. Дължината на вълната на техните вибрации трябва да пасне идеално между плочите, точно както вибрациите на струната на китара трябва да паснат на дължината на струната. В квантовия случай между плочите все още има безкраен брой вибрации. Но – и това е важно – между плочите има по-малко вибрации, отколкото извън тях.

Как е възможно това? В математиката не всички безкрайности са еднакви и ние сме разработили сложни инструменти за тяхното сравняване. Да разгледаме например един вид безкрайност, при която последователно добавяме числа едно към друго. Започвате с 1, след това добавяте 2, после 3, после 4 и т.н. Ако продължите това добавяне безкрайно, ще достигнете до безкрайност. Сега разгледайте друг вид събиране, този път с използване на степени на 10. Започвате с 10^1, след това добавяте към него 10^2, после 10^3, после 10^4 и продължавате.

Използвайки този сложен математически трик, можем да извадим два вида безкрайности – тези между металните пластини и тези извън тях – за да получим крайно число. Това означава, че от външната страна на двете пластини наистина има повече квантови вибрации, отколкото от вътрешната. Това явление води до заключението, че квантовите полета от външната страна на пластините ги притискат една към друга, което се нарича ефект на Казимир по името на Хендрик.

Ефектът е невероятно малък, около 10^-12 нютона, и изисква металните пластини да са на разстояние един микрометър една от друга. Така че, макар Казимир да е предсказал съществуването на този квантов ефект, едва през 1997 г. най-накрая успяхме да го измерим благодарение на усилията на физика от Йейлския университет Стив Ламоро.

Защо в наши дни учените отново се фокусират върху Ефекта на Казимир? Оказа се, че той може да се използва при нанотехнологиите и при разработването и производството на най-съвременните силициеви чипове, които вече почти достигнаха предела на физиката, каквато е позната в наши дни.

Ако изследователите от Националната лаборатория в Аргон успеят да неутрализират ефекта на силата на Казимир, внедряването на NEMS ще стане масово.

Така например, учени от Националната лаборатория в Аргон (ANL), работят по овладяването на ефекта на Казимир – квантовомеханична сила, която привлича обектите, отдалечени на няколко нанометра един от друг. Това е сериозна пречка за внедряването на наноелектромеханични системи (NEMS). NEMS биха могли да намерят уникални приложения в областта на сензорите, телекомуникациите, обработката на сигнали, съхранението на данни и др. Но на наноравнище силата на Казимир е много силна, което затруднява контрола на тези устройства.

Отново да напомним, че ефектът на Казимир е резултат от факта, че пространството е изпълнено с вакуумни флуктуации, виртуални двойки частица-античастица, които непрекъснато се образуват от нищото, след което бързо изчезват. Този ефект се наблюдава между две метални паралелни пластини, разположени на разстояние 100 nm една от друга. Разстоянието между плочите ограничава диапазона на възможните дължини на вълните за тези виртуални частици.

Тъй като те са по-малко на брой в това пространство, това води до по-ниска плътност на енергията между двете плочи, отколкото в отвореното пространство. Това създава отрицателна енергия и налягане, които привличат плочите една към друга; колкото по-тясна е празнината, толкова по-ограничена е дължината на вълната на виртуалните частици, толкова по-отрицателна е енергията и налягането, толкова по-силна е притегателната сила. В наномащаб тя се превръща в доминираща сила между незаредени проводници. В зависимост от геометрията на повърхността и други фактори, при разстояния от 10 nm ефектът на Казимир може да предизвика еквивалент на налягане от 1 атмосфера (101,3 kPa).