Efekt Casimira - Polski Serwis Naukowy

Efekt Casimira – zjawisko fizyczne przyciągania pomiędzy dwiema pozbawionymi ładunku elektrycznego płytami wykonanymi z przewodnika spowodowane różnicą ciśnienia oddziałujących na nie cząstek wirtualnych. Pierwszy raz wystąpienie tego efektu w roku 1948 przewidział holenderski fizyk Hendrik B. G. Casimir pracujący w laboratoriach Philipsa.

Długość fali — najmniejsza odległość pomiędzy dwoma punktami o tej samej fazie drgań (czyli pomiędzy dwoma powtarzającymi się fragmentami fali — zob. rysunek). Dwa punkty fali są w tej samej fazie, jeżeli wychylenie w obu punktach jest takie samo i oba znajdują się na etapie wzrostu (lub zmniejszania się). Jeżeli w jednym punkcie wychylenie zwiększa się a w drugim maleje, to punkty te znajdują się w fazach przeciwnych.

Liczba π (czytaj: liczba pi), ludolfina – stała matematyczna, która pojawia się w wielu dziedzinach matematyki i fizyki. W geometrii euklidesowej π jest równe stosunkowi długości obwodu koła do długości jego średnicy. Można też zdefiniować π na inne sposoby, na przykład jako pole koła o promieniu równym 1 albo jako najmniejszą dodatnią wartość x, dla której sin(x) = 0.

Efekt Casimira występujący pomiędzy dwoma nienaładowanymi płytami z przewodnika umieszczonymi w próżni pełnej wirtualnych cząstek

Próżnia wypełniona jest ogromną liczbą cząstek, które pojawiają się i niemal natychmiast znikają dzięki fluktuacjom kwantowym. Cząstki te zwane wirtualnymi wypełniają próżnię, na rysunku przedstawione są różnymi kolorami, co ma reprezentować różne długości stowarzyszonych z nimi fal.

Lustro, zwierciadło – gładka powierzchnia odbijająca światło, dzięki czemu powstaje obraz odbity przedmiotów znajdujących się przed lustrem. Także narzędzie dysponujące taką powierzchnią i służące odbijaniu obrazu.

Struna – źródło dźwięku (wibrator) w chordofonach (instrumentach strunowych). Struny mogą być wykonane z metalu, tworzywa sztucznego (przeważnie nylon), lub jelit (w muzyce dawnej).

Jeżeli teraz umieści się w niewielkiej odległości d dwie płyty wykonane z przewodnika, to będą one pełniły rolę luster rezonatora. Na zewnątrz będą pojawiały się wirtualne cząstki stowarzyszone z falami o wielu różnych długościach.

Pomiędzy płytami również będą powstawać wirtualne cząstki. Niektóre z nich będą miały długość stowarzyszonej fali λ równą d lub d/2, d/3 itd., czyli długości kolejnych fal harmonicznych. Podobnie jak w strunie gitarowej fale o takich długościach zostaną wzmocnione (rezonans). Fale o innych długościach będą bardzo silnie tłumione. Na rysunku, tłumienie dotyczy cząstek niebieskich i zielonych. Różowe i czerwone mogą swobodnie pojawiać się i znikać pomiędzy płytami z przewodnika.

MEMS (ang. Micro Electro-Mechanical Systems), lub też Mikrosystemy, określenie zintegrowanych układów elektro-mechanicznych, których co najmniej jeden wymiar szczególny znajduje się w skali mikro (0,1 - 100 μm).

Barwa – wrażenie psychiczne wywoływane w mózgu człowieka (i zwierząt), gdy oko odbiera promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu światła, a pisząc dokładniej, z widzialnej części fal świetlnych. Główny wpływ na to wrażenie ma skład widmowy promieniowania świetlnego, w drugiej kolejności ilość energii świetlnej, jednak niebagatelny udział w odbiorze danej barwy ma również obecność innych barw w polu widzenia obserwatora, oraz jego cechy osobnicze, jak zdrowie, samopoczucie, nastrój, a nawet doświadczenie i wiedza w posługiwaniu się zmysłem wzroku.

Wirtualne cząstki podobnie jak cząstki gazu wywierają na wszystkie zanurzone w nich ciała pewne ciśnienie. Ciśnienie wywierane przez "czterokolorową" mieszaninę cząstek będzie większe, bo od jednostkowej powierzchni płyty odbija się ich więcej, niż dla "dwukolorowej" mieszaniny.

Fluktuacje kwantowe – chwilowe zmiany ilości energii w pewnym punkcie przestrzeni. Możliwość istnienia kwantowych fluktuacji jest konsekwencją zasady nieoznaczoności.

Holandia (nid. Nederland) – europejska część Królestwa Niderlandów (nid. Koninkrijk der Nederlanden), tworzonego także przez Arubę i Antyle Holenderskie. Holandia jest członkiem Unii Europejskiej (UE), Unii Zachodnioeuropejskiej (UZE), ONZ oraz NATO. Holandia jest monarchią konstytucyjną położoną w zachodniej części Europy nad Morzem Północnym, które oblewa ją od północy i zachodu. Graniczy na południu z Belgią oraz na wschodzie z Niemcami. Obecne granice wytyczono w roku 1839.

Różnica ciśnień zaowocuje powstaniem siły Casimira Fc. Po przełożeniu opisu zjawiska na odpowiednie równania mechaniki kwantowej otrzymuje się zależność: ${F_c} = \frac{A \hbar c \pi^2}{240 d^4}$

gdzie: $A$ – powierzchnia płyt, $\hbar$ – zredukowana stała Plancka, $c$ – prędkość światła, $\pi$ – liczba Pi, $d$ – odległość pomiędzy płytami w metrach.

Wzór ten jest prawdziwy tylko dla płyt wykonanych z idealnie gładkiego przewodnika, który zachowuje się jak lustro odbijające fale o wszystkich długościach bez strat. Dodatkowym warunkiem jest ochłodzenie płyt do temperatury zera absolutnego.

Seattle – miasto w stanie Waszyngton. Leży pomiędzy Zatoką Puget a jeziorem Waszyngtona z ujściem na Pacyfik, prawie 108 mil (174 km) na południe od granicy z Kanadą.

Tłumienie (gaśnięcie) drgań, to stopniowe zmniejszenie się amplitudy drgań swobodnych wraz z upływem czasu, związane ze stratami energii układu drgającego. Tłumienie obserwowane jest zarówno w układach mechanicznych jak elektrycznych. W przypadku fal biegnących tłumienie prowadzi do zmniejszania się amplitudy fali wraz ze wzrostem odległości od źródła, co wynika z rozpraszania energii w otoczeniu falowodu.

Efekt Casimira jest obserwowalny dopiero wtedy, kiedy odległość między płytami jest mniejsza od milionowej części metra (1 μm). Nawet w takiej sytuacji siła pomiędzy płytami o powierzchni metra kwadratowego jest rzędu dziesięciomilionowej części niutona (10N), jest on wyraźnie obserwowalny w mikroskali.

Próżnia – w rozumieniu tradycyjnym pojęcie równoważne pustej przestrzeni. We współczesnej fizyce, technice oraz rozumieniu potocznym pojęcie próżni posiada zupełnie odmienne konotacje.

Hendrik Brugt Gerhard Casimir (ur. 15 czerwca 1909 w Hadze - zm. 4 maja 2000 w Heeze) - holenderski fizyk teoretyczny. Urodził się w Hadze. Studiował fizykę teoretyczną na Uniwersytecie Leiden (ang. Leiden University) pod kierownictwem Paula Ehrenfesta. Podczas studiów miał okazję przez 18 miesięcy uczęszczać na zajęcia prowadzone przez Nielsa Bohra. W 1931 roku obronił pracę doktorską dotyczącą fizyki kwantowej. W latach 1932-33 pracował z Wolfgangiem Paulim w Zurichu. W 1933 powrócił na Uniwersytet Leiden, a w roku 1938 został profesorem na tej uczelni. W 1942 roku Casimir przeniósł się do Holandii, gdzie podjął pracę w laboratoriach Philipsa w Eindhoven.

Pierwsze próby pomiaru siły przyciągania wywołanej efektem Casimira wykonał w roku 1958 Marcus Spaarnay w Laboratorium Philipsa w Eindhoven. Ówczesna technologia nie była w stanie potwierdzić istnienia tak nikłego oddziaływania. Dopiero w roku 1997 Steve Lamoreaux pracujący na Uniwersytecie Waszyngtońskim (ang. University of Washington) w Seattle zdołał dokonać pomiarów potwierdzających teorię z niepewnością pomiarową rzędu 5%.

Zjawisko fizyczne – przemiana, na skutek której zmieniają się tylko właściwości fizyczne ciała lub obiektu fizycznego, natomiast właściwości chemiczne pozostają bez zmian. Definicja używana przez chemików.

Fala - zaburzenie rozprzestrzeniające się w ośrodku lub przestrzeni. Fale przenoszą energię z jednego miejsca do drugiego bez transportu jakiejkolwiek materii. W przypadku fal mechanicznych cząstki ośrodka, w którym rozchodzi się fala, oscylują wokół położenia równowagi.

Rozwój technologii MEMS spowodował wkroczenie stosowanej techniki w obszar działania efektu Casimira. Siły pojawiające się na skutek oddziaływania próżni stają się wyraźne dla obiektów mających rozmiary rzędu mikrometrów. Pracujący na Uniwersytecie Kalifornijskim w Riverside (ang. University of California at Riverside) Umar Mohideen wraz z zespołem naukowców w roku 2002 wykonał kolejne doświadczenie potwierdzające efekt Casimira z niepewnością 1%.

Odbicie — zmiana kierunku rozchodzenia się fali na granicy dwóch ośrodków powodująca, że pozostaje ona w ośrodku, w którym się rozchodzi. Odbicie może dawać obraz lustrzany lub być rozmyte, zachowując tylko właściwości fali, ale nie dokładny obraz jej źródła.

Cząstka – bardzo mała ilość (pyłek, okruch) lub stosunkowo niewielka część większej całości (Galaktyka jest cząstką kosmosu). W naukach przyrodniczych (fizyka, chemia) cząstka oznacza mały fragment materii (np. cząstka kurzu), który ma zwarty kształt, w odróżnieniu od nici czy włókna.