The Casimir effect - Δύναμη από το πουθενά!

                                                                                                                                                                                          Πενήντα χρόνια πριν ο Hendrik Casimir προέβλεψε την ελκτική δύναμη μεταξύ δύο επιφανειών στο κενό, μια δύναμη που μπορεί να επηρεάσει τα πάντα, από τη δημιουργία νανομηχανών μέχρι τις ενοποιημένες θεωρίες της φυσικής.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    Τι θα συνέβαινε λοιπόν αν τοποθετούσαμε δύο καθρέφτες τον έναν ακριβώς απέναντι από τον άλλο στο κενό του διαστήματος; Πολύ πιθανό να απαντούσατε "τίποτα απολύτως". Κι όμως φαίνεται πως οι δύο καθρέφτες έλκονται μεταξύ τους από την απλή παρουσία του κενού. Ο Hendrik Casimir ήταν ένας Ολλανδός επιστήμονας (για την ακρίβεια ήταν θεωρητικός φυσικός) που δούλευε το 1948 στα εργαστήρια της Philips στο Αιντχόφεν και είχε προβλέψει το φαινόμενο αυτό που πήρε το όνομά του. Για 50 σχεδόν χρόνια οι θεωρίες του αποτελούσαν απλώς ένα ακόμα θεωρητικό αξιοπερίεργο. Τα τελευταία χρόνια όμως το ενδιαφέρον γι' αυτές έγινε έντονο και άρχισαν να ασχολούνται μαζί του και οι φυσικοί επιστήμονες που ειδικεύονται στα πειράματα. Οι εξελίξεις στην τεχνολογία όλα αυτά τα χρόνια επιτρέπουν στη δύναμη Casimir να μετριέται με όλο και μεγαλύτερη ακρίβεια.                                                                                                                                                  

  Η θεωρία αυτή αναβίωσε επίσης από άλλους θεωρητικούς φυσικούς που έχουν προβλέψει την ύπαρξη πολλών ακόμα διαστάσεων (μέχρι και 10η ή 11η διάσταση) στις ενοποιημένες θεωρίες της φυσικής για τις βασικές δυνάμεις που συνθέτουν το σύμπαν. Διαστάσεις οι οποίες μπορούν να διαφοροποιήσουν την κλασική βαρυτική θεωρία του Νεύτωνα όταν εξετάζονται αποστάσεις κάτω του χιλιοστού. Η μέτρηση της δύναμης Casimir πιστεύουν ότι θα τους βοηθήσει να τεστάρουν την αλήθεια ριζοσπαστικών ιδεών.                                                                                                                                                                                                      Το 1948 ο Casimir και ο συνάδελφός του Theo Overbeek ανακάλυψαν πως η αλληλεπίδραση ανάμεσα σε δύο ουδέτερα μόρια μπορούσε να υπολογιστεί κατάλληλα, μόνο αν στις μετρήσεις υπολογιζόταν πως το φως ταξιδεύει σε καθορισμένη ταχύτητα και μετά αναρωτήθηκε τι θα συνέβαινε αν αντί για δύο μόρια εφάρμοζε τη θεωρία του σε δύο καθρέφτες τον ένα απέναντι από τον άλλο στο απόλυτο κενό. Διατύπωσε λοιπόν τη θεωρία πως οι δυο καθρέφτες θα εμφάνιζαν ελκτικές δυνάμεις μεταξύ τους όπως τα μόρια μέσα σε μια κολλώδη ουσία.                                                                                                                                                

                                                                                                                                                Τα παραπάνω βέβαια απαιτούν για την κατανόησή τους γνώσεις της σύγχρονης φυσικής και κυρίως κβαντομηχανικής (ωχ!) και είναι δύσκολα για το μέσο άνθρωπο της εποχής μας. Η βασική γνώση των επιστημόνων της φυσικής για το κενό άλλαξε ριζικά μέσα στον 20ο αιώνα. Το κενό ήταν αυτό που απέμενε αν άδειαζες ένα δοχείο από κάθε σωματίδιό του και κατέβαζες τη θερμοκρασία του στο απόλυτο μηδέν. Μέτα την κβαντομηχανική όμως, αυτή η έννοια δεν ισχύει πλέον! Σύμφωνα με την κβαντομηχανική όλα τα πεδία και ιδιαιτέρα τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία έχουν κλάσματα/διακυμάνσεις. Με απλά λόγια, οι τιμές που παίρνουν αυτά τα ενεργειακά πεδία δεν είναι σταθερές αλλά κυμαίνονται γύρω από μια βασική σταθερά ( για παράδειγμα πολύ χοντρικά η τιμή δεν είναι διαρκώς 1 αλλά 0.9 - 1.1). 'Ετσι ακόμα και στο απόλυτο κενό, στο απόλυτο μηδέν εμφανίζονται κλασματικές διακυμάνσεις ενεργειακού μεγέθους μισού φωτονίου! Αυτές οι διακυμάνσεις δεν αποτελούν πλέον μόνο μαθηματικά μεγέθη αλλά μπορούν να μετρηθούν πειραματικά σε μικροσκοπική κλίμακα. Για παράδειγμα ένα διεγερμένο άτομο δε θα μένει για πάντα σ' αυτή την κατάσταση αλλά θα επιστρέψει στην προηγουμένη κατάστασή του απελευθερώνοντας ενέργεια ίση με ένα φωτόνιο. Αυτή η διαδικασία αποδίδεται στις διακυμάνσεις των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων και του κενού.                                                                                                                                                                                                                         Απ' όλα τα φαινόμενα διακύμανσης του κενού, η δύναμη Casimir είναι πλέον η πιο διάσημη. Σκεφτείτε το ακόλουθο: δύο απλούς καθρέφτες, τον έναν απέναντι από τον άλλο και το κενό που υπάρχει μεταξύ τους σαν μια κοιλότητα. Όλες οι ηλεκτρομαγνητικές συχνότητες έχουν ένα χαρακτηριστικό φάσμα που περιλαμβάνει πολλές διαφορετικές συχνότητες. Σε ένα ελεύθερο κενό όλες αυτές οι συχνότητες έχουν την ίδια σημασία. Όμως μέσα σε μια κοιλότητα όπου το πεδίο αντανακλάται μπρος πίσω από τους καθρέφτες έχουμε διαφορετική κατάσταση. Ενισχύονται εκέινα τα ηλεκτρομαγνητικά σήματα των οποίων το φάσμα χωράει ακριβώς στο μήκος της απόστασης ανάμεσα στους καθρέφτες. Αντίθετα τα υπόλοιπα μήκη κύματος χάνουν την ενέργειά τους. Παρομοίως οι κβαντικές διακυμάνσεις του κενού που αναφέραμε νωρίτερα χάνουν ή αυξάνουν την έντασή τους. Οι δυνάμεις που αναπτύσσονται λοιπόν από την αντανάκλασή τους ανάμεσα στους δυο καθρέφτες, μπορούν να καταλήξουν να έλκουν τους δυο καθρέφτες αν επιτευχθεί ο πολλαπλασιασμός του σωστού μήκους κύματος του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Η δύναμη αυτή αυξάνει 16 φορές κάθε φορά που μειώνεται κατά το μισό η απόσταση ανάμεσα στους καθρέφτες. Πέρα από τις γεωμετρικές παραμέτρους ισχύουν για τον υπολογισμό της τελικής δύναμης οι κλασικές σταθερές του Planck και η ταχύτητα του φωτός.                                                                                                                                                                                                      

                                                                                                                                              Το πρόβλημα με τη δύναμη Casimir είναι πρακτικό: είναι πολύ μικρή για να μετρηθεί. Δεν μπορεί να μετρηθεί για παράδειγμα χρησιμοποιώντας καθρέφτες που βρίσκονται μεταξύ τους σε απόσταση μερικών μέτρων. Μπορεί όμως να μετρηθεί όταν οι καθρέφτες βρίσκονται σε απόσταση χιλιοστών του χιλιοστού μεταξύ τους! Καθρέφτες μεγέθους 1 τετραφωνικού εκατοστού σ' αυτή την απόσταση δημιουργούν δύναμη Casimir ίση με το βάρος μιας σταγόνας νερού μεγέθους μισού κυβικού χιλιοστού. Παρόλο που αυτή η δύναμη φαίνεται μικρή, η δύναμη Casimir σε αποστάσεις λιγότερες του ενός μικρομέτρου είναι η ισχυρότερη δύναμη που υπάρχει ανάμεσα σε δυο ουδέτερα σώματα. Σε αποστάσεις 10 νανομέτρων (μια απόσταση που χωράει 1ΟΟ άτομα) η δύναμη Casimir είναι ίση με μια ατμόσφαιρα! Σ' αυτά τα μεγέθη γίνεται αμέσως κατανοητή η σημασία της, όταν συζητάμε για νανοτεχνολογία και μικροηλεκτρονικά συστήματα, αφού μπορεί να δημιουργήσει προβλήματα στη σωστή λειτουργία τέτοιων συσκευών. Από την άλλη είναι πιθανό να βρεθούν τρόποι να χρησιμοποιηθεί αυτό το εφφέ σαν κινητήρια δύναμη σε τέτοιες νανο-μηχανές.                                                                                                                                                                                   Για πρώτη φορά η δύναμη αυτή μετρήθηκε το 1958 στα εργαστήρια της Philips χρησιμοποιώντας δυο μεταλλικούς καθρέφτες από αλουμίνιο, χρώμιο και ατσάλι. Πριν από κάθε πείραμα οι επιστήμονες φρόντιζαν να απαλλάσσουν τους δυο καθρέφτες πλήρως από οποιοδήποτε στατικό ηλεκτρισμό.                                 to-emblima.blogspot.gr/