Казимира эффект

КАЗИМИРА ЭФФЕКТ, общее название широкого круга явлений, обусловленных флуктуациями вакуумного состояния поля (в частности, электромагнитного) при наличии границ или изменении геометрии (топологии) пространства. Диапазон областей физики, в которых проявляется Казимира эффект, очень широк - от статистической физики до физики элементарных частиц и космологии.

Впервые влияние квантовых флуктуаций электромагнитного поля на взаимодействие электрически нейтральных макроскопических тел предсказал нидерландский физик-теоретик Х. Казимир (1948). Он рассчитал, что вследствие квантовых флуктуаций поля в основном (вакуумном) состоянии две плоскопараллельные, идеально проводящие незаряженные пластины, разделённые в вакууме зазором шириной L, при абсолютном нуле температуры должны притягиваться с силой F на единицу площади:

F = - 0,0065hc/L⁴,            (*)

где h - постоянная Планка, с - скорость света в вакууме. Более общая формула для силы притяжения двух диэлектрических слоёв, учитывающая зависимость диэлектрической проницаемости от частоты поля, была получена Е. М. Лифшицем в 1954 году. Сила Казимира F очень мала для расстояний, превышающих несколько микрометров, однако с уменьшением расстояния она быстро растёт и для L = 0,01 мкм (порядка ста атомных размеров) эффективное отрицательное давление F достигает почти 1,3·10⁶ Па (13 атмосфер). Поэтому учёт сил Казимира важен при конструировании различных электромеханических устройств микро- и наноразмеров. Иногда силы Казимира рассматривают как проявление ван-дер-ваальсовых сил притяжения на «больших» (в атомной шкале) расстояниях, когда нельзя пренебречь запаздыванием электромагнитного взаимодействия.

Первые эксперименты по проверке формул Казимира и Лифшица, поставленные в 1950-х годах, качественно подтвердили наличие силы притяжения между плоской и сферической поверхностями из кварца (И. И. Абрикосов, Б. В. Дерягин) и между металлическими плоскими пластинами (М. Спарнай, Нидерланды). Существенно повысить точность и надёжность измерений малых сил (вплоть до 10-12 Н) и расстояний (в диапазоне 0,1-6 мкм) удалось лишь в конце 1990-х годов благодаря появлению новых инструментов и технологий, таких как атомный силовой микроскоп и микроэлектромеханические системы. Наилучшая достигнутая точность составляет около 1%. Получено удовлетворительное согласие между теорией и экспериментом, хотя некоторые детали (например, зависимость сил от температуры на расстояниях, превышающих несколько мкм) требуют уточнения. Реальная сила взаимодействия существенно зависит от материала и свойств поверхностей, так что даже для хороших проводников (золото, медь) её величина может отличаться от значения, вычисленного по формуле (*), на десятки процентов.

В 1959 году И. Е. Дзялошинский, Е. М. Лифшиц и Л. П. Питаевский предсказали возможность появления отталкивающей силы в слоистых структурах с разными диэлектрическими проницаемостями. Впоследствии было найдено много других моделей и геометрических конфигураций, допускающих такую силу, например, при комбинации идеальных проводника и магнетика или различных структур из метаматериалов (искусственных сред с отрицательным коэффициентом преломления). Однако экспериментальных подтверждений теоретических результатов пока нет, хотя этот вопрос актуален в связи с разработкой микро- и наноэлектромеханических устройств.

Казимира эффект играет важную роль в космологии в связи с тем, что в рамках квантовой теории поля при нулевой температуре возникает ненулевая вакуумная плотность энергии. Это имеет большое значение для решения проблемы космологической постоянной и связано с инфляционной моделью Вселенной. Казимира эффект весьма существен в физике адронов: при расчёте их свойств должна учитываться казимировская энергия кварковых и глюонных полей. Казимира эффект учитывается в суперсимметричных теориях поля и моделях типа Калуцы - Клейна теории при анализе механизмов спонтанной компактификации дополнительных пространственных измерений.

Если поверхности, ограничивающие поле, движутся или их свойства зависят от времени, то говорят о нестационарном (или динамическом) Казимира эффекте, ярким проявлением которого могло бы быть рождение фотонов из вакуума вследствие движения границ электрически нейтральных макроскопических тел. Этот эффект ещё не обнаружен, поскольку предсказываемое количество рождённых фотонов пропорционально квадрату отношения характерной скорости движения к скорости света, то есть очень мало. Однако это число можно увеличить на много порядков благодаря квантовой интерференции, если заставить границу колебаться с достаточной амплитудой и периодом, близким к половине периода колебаний выбранной моды электромагнитного поля, используя эффект параметрического резонанса. Такой эксперимент реален для частот в области нескольких гигагерц.

Лит.: Бараш Ю. С. Силы Ван-дер-Ваальса. М., 1988; Мостепаненко В. М., Трунов Н. Н. Эффект Казимира и его приложения. М., 1990; Bordag М., Mohideen U., Mostepanenko V. М. New developments in the Casimir effect // Physics Reports. 2001. Vol. 353. №1-3.