اثر كازیمیر نیرویی از هیچ

تا سالها اثر كازیمیر چیزی بیش از یك موضوع نظری جالب نبود اما علاقه و استفاده از این پدیده در سالهای اخیر شكوفا شده است فیزیكدانان تجربی نشان دادند كه نیروی كازیمیر روی كار وسایل میكروماشینها تأثیر می گذارد و این در حالی بود كه پیشرفت در زمینه استفاده از این وسایل , اندازه گیری این نیرو را با دقت هر چه بیشتر میسر ساخت خیلی از نظریه پردازان وجود ابعاد خیلی بزرگ در نظریه وحدت میدان ۱۰و۱۱ بعدی نیروهای بنیادی را پیش بینی می كنند آنها می گویند این ابعاد می تواند گرانش كلاسیك نیوتن را در ابعاد زیر میلیمتر اصلاح كند

اثر كازیمیر؛ نیرویی از هیچ

سپتامبر ۲۰۰۲- نیروی جاذبه بین دو سطح در خلاء -كه اولین بار بیش از ۵۰ سال قبل بوسیله هندریك كازیمیر پیش‌گویی شد- می‌تواند روی هر چیز از میكروماشینها گرفته تا نظریه‌های وحدت طبیعت تأثیر بگذارد.

اگر شما دو آینه را در نظر گرفته و آنها را در خلاء در یك راستا قرار دهید، چه اتفاقی خواهد افتاد ؟ عكس‌العمل اولیه شما به این سؤال ممكن است این باشد كه "هیچ چیز"، اما در واقع دو آینه در خلاء یكدیگر را جذب خواهند كرد. این پدیده شگفت‌انگیز اولین بار در سال ۱۹۴۸ بوسیلهٔ هندریك كازیمیر فیزیكدان هلندی وقتی كه در آزمایشگاه تحقیقاتی فیلیپس در آیندهون روی محلولهای كلوئیدی كار می‌كرد پیش‌بینی شد. این پدیده اكنون به نام اثر كازیمیر لقب گرفته است و نیروی بین آینه‌ها به عنوان نیروی كازیمیر شناخته می‌شود. تا سالها اثر كازیمیر چیزی بیش از یك موضوع نظری جالب نبود. اما علاقه و استفاده از این پدیده در سالهای اخیر شكوفا شده است. فیزیكدانان تجربی نشان دادند كه نیروی كازیمیر روی كار وسایل میكروماشینها تأثیر می‌گذارد و این در حالی بود كه پیشرفت در زمینه استفاده از این وسایل‌، اندازه‌گیری این نیرو را با دقت هر چه بیشتر میسر ساخت. خیلی از نظریه پردازان وجود ابعاد خیلی بزرگ در نظریه وحدت میدان ۱۰و۱۱ بعدی نیروهای بنیادی را پیش‌بینی می‌كنند. آنها می‌گویند این ابعاد می‌تواند گرانش كلاسیك نیوتن را در ابعاد زیر میلیمتر اصلاح كند. لذا اندازه‌گیری اثر كازیمیر می‌تواند به فیزیكدانان برای امتحان درستی این قبیل نظریه‌های بنیادی كمك كند.

كازیمیر و كلوئیدها

این واقعیت كه نیروی جاذبه‌ای ‌بین دو صفحه فلزی رسانا وجود دارد اولین‌بار بوسیله هندریك كازیمیر از آزمایشگاه‌های تحقیقاتی فیلیپس در هلند پیش‌بینی شد. آن زمان كازیمیر روی ویژگیهای محلولهای كلوئیدی مطالعه می‌كرد؛ موادی كشسان، مثل رنگ و سس مایونز كه شامل ذراتی با اندازهٔ میكرونی در یك مایع می‌با‌شند. ویژگیهای این قبیل محلولها بوسیله نیروی واندروالس - نیروهای جاذبه دوربرد كه بطور طبیعی بین اتم‌ها و مولكولها وجود دارد – تعیین می‌شود. بنا به اظهارات یكی از همكاران كازیمیر بنام تیو آوربیك، این نظریه که در آن زمان برای توضیح نیروهای واندروالس به کار می­رفت نمی‌توانست اندازه‌گیریهای تجربی روی كلوئیدها را بطور كامل توضیح دهد. بنابراین وی از كازیمیر خواست تا درباره این مسأله تحقیق كند. كازیمیر با همكاری دریك پالدر پی برد كه تعاملات بین دو مولكول طبیعی فقط با در نظرگرفتن این واقعیت كه نور با سرعت متناهی منتشر می‌شود قابل بیان است. كازیمیر به زودی دریافت كه این نتیجه بر اساس "نوسانات خلاء[۱]" قابل تفسیر است. سپس او این سوال را مطرح كرد كه اگر دو آینه به جای دو مولكول در خلاء مقابل هم بودند چه اتفاقی می‌افتاد؟ این كاری بود كه او را به سوی پیش‌بینی مشهورش از نیروی جاذبه بین صفحات منعكس كننده هدایت كرد.

فهم نیروی كازیمیر

گر چه نیروی كازیمیر كاملاً غامض به نظر می‌رسد، اما در حقیقت به خوبی قابل فهم است. قبلاً در مكانیك كلاسیك نظریه خلاء، ساده بود. اگر شما یك ظرف را از همه ذراتش خالی می‌كردید و دما را تا صفر مطلق پایین می‌آوردید، چیزی که باقی می‌ماند خلاء بود. اما ورود مكانیك كوانتوم دید ما را نسبت به خلاء كاملاً عوض كرد. همه میدانها - خصوصاً میدانهای الكترومغناطیسی- تغییر می‌كنند. به عبارت دیگر در هر لحظه مقدار حقیقی آنها حول یك مقدار ثابت، یعنی مقدار متوسط تغییر می‌كند. حتی یك خلاء كامل در صفر مطلق دارای میدانهای متغیری موسوم به نوسانات خلاء است كه انرژی متوسط آنها متناسب با نصف انرژی یك فوتون است. به هر حال نوسانات خلاء حاصل ذهن پردازی یك فیزیكدان نیست. این نوسانات نتایج قابل مشاهده‌ای دارند كه بطور مستقیم در آزمایشهای مقیاس میكروسكوپی قابل مشاهده­اند. برای مثال یك اتم برای مدت بینهایت طولانی نمی‌تواند در حالت برانگیخته باقی بماند و می‌تواند با انتشار یك فوتون به صورت خود به خود به حالت پایه‌اش بازگردد. این پدیده نتیجه‌ای از نوسانات خلاء می‌باشد. تصور كنید كه یك مداد را با تلاش به سمت بالا روی انتهای انگشت خود نگه داشته‌اید. اگر دست شما كاملاً پایدار و بی‌حركت باشد و هیچ چیز این تعادل را مختل نكند، مداد همانجا باقی خواهد ماند. اما جزئی‌ترین اختلال باعث افتادن مداد به یك موقعیت تعادلی پایدارتر خواهد شد. به طور مشابه، نوسانات خلاء باعث افتادن اتم برانگیخته به حالت پایه‌اش خواهد شد. نیروی كازیمیر، مشهورترین اثر مكانیكی نوسانات خلاء است. فاصله بین دوصفحه آینه‌ها را به عنوان یك حفره[۲] در نظر بگیرید (شكل ۲). تمام میدان‌های مغناطیسی دارای "طیف" مشخصه‌ای هستند كه شامل فركانسهای متفاوت فراوانی است. تمام این فركانسها در خلاء كامل از اهمیت یكسانی برخوردار هستند. اما داخل حفره، یعنی جایی كه میدان بین آینه‌ها به عقب و جلو بازتاب می‌كند، وضعیت متفاوت می‌شود. اگر مضرب صحیحی از نصف طول موج بتواند دقیقاً در داخل حفره قرار بگیرد، میدان آن موج تقویت خواهد شد. این میدان در طول موجهای دیگر به وضوح تضعیف می‌شود. نوسانات خلاء بر حسب اینكه فركانس آنها با فركانس رزونانس حفره مطابق باشد یا نه، تقویت یا تضعیف می‌شوند.

یك كمیت فیزیكی مهم در بحث نیروی كازیمیر، "فشار تابش میدان[۳]" است. هر میدان – حتی خلاء نیز با خود انرژی حمل می‌كند. تمام میدانهای الكترومغناطیسی می‌توانند در فضا منتشر شوند و روی سطوح فشار وارد كنند. درست مثل یك رودخانه جاری كه پشت سد فشار می‌آورد. این فشار تابش با انرژی – و بنابراین فركانس – میدان مغناطیسی افزایش می‌یابد. در فركانس رزونانس حفره، فشار تابش داخل حفره قوی‌تر از بیرون آن است و بنابراین آینه‌ها یكدیگر را به عقب می‌رانند. برعكس در غیر حالت رزونانس، فشار تابش داخل حفره كوچكتر از بیرون است و آینه‌ها به ‌طرف یكدیگر جذب می‌شوند. ثابت می‌شود كه در حالت تعادل، مؤلفه‌های جاذبه كمی قوی‌تر از مؤلفه‌های دافعه هستند. بنابراین برای دو آینه تخت كاملاً موازی نیروی كازیمیر جاذبه است و آینه‌ها یكدیگر را جذب می‌كنند. این نیرو (F) با مساحت سطح مقطع آینه‌ها (A) متناسب است و با نصف شدن فاصله بین آینه‌ها (d) این نیرو ۱۶ برابر می‌شود: F~A/d۴. به جزء كمیتهای هندسی، این نیرو فقط به مقادیر بنیادی – ثابت پلانك و سرعت نور- بستگی دارد. با این وجود، نیروی كازیمیر برای مشاهده در مورد آینه‌هایی كه در فاصله چندین‌متری هستند، بسیار كوچك است. این نیرو وقتی قابل اندازه‌گیری است كه آینه‌ها در فاصله چند میكرونی از یكدیگر باشند. مثلاً برای دو آینه با سطح cm۲ ۱ كه با فاصله µm ۱ از هم قرار دارند، نیروی جاذبه كازیمیر تقریباً ۷-۱۰ نیوتن است؛ تقریباً وزن یك قطره آب كه قطری برابر با نیم میلیمتر دارد. گرچه این نیرو خیلی كوچك است، اما در فاصله‌های زیر میكرومتر، قوی‌ترین نیروی بین دوجسم طبیعی به شمار می­رود. در واقع در فاصله nm ۱۰ – تقریباً صد برابر اندازه واقعی یك اتم – اثر كازیمیر فشاری برابر با ۱ اتمسفر ایجاد خواهد كرد. گرچه ما در زندگی روزمره خود بطور مستقیم با این قبیل فاصله‌های كوچك سروكار نداریم اما اینها در نانوساختارهای و سیستمهای میكروالكترومكانیكی (MEMS) اهمیت می‌یابند. MEMS قابلیتهای كاربردی فراوانی درعلوم و مهندسی دارد و در حال حاضر در سنسورهای فشار كیسهٔ هوای ماشین بكار می‌رود. از آنجا كه قطعات MEMS در ابعاد میكرون و زیر میكرون ساخته شده‌اند نیروی كازیمیر باعث اتصال عناصر كوچك این قطعات خواهد شد، همانطور كه میهیل راكسس و همكارانش در موسسه فناوری كالیفرنیا گزارش كرده‌اند. (۲۰۰۱ Phys. Rev. B ۶۳ ۰۳۳۴۰۲) اما نیروی كازیمیر می‌تواند به خوبی مورد مورد استفاده قرار گیرد.

---