В резонаторе, образованном двумя параллельными пластинами, могут существовать только волны, интенсивность которых на стенках резонатора равна нулю. Это означает, что на длине резонатора должно укладываться целое число полуволн.
Под таким интригующим заголовком была помещена информация в Интернете о недавнем эксперименте, проведенном в Калифорнийском университете группой физиков под руководством Умара Мохидина.
Речь идет об измерении так называемой силы Казимира - силы взаимодействия между очень близкими материальными объектами, странным образом возникающей в вакууме. Вакуум - это и есть то самое "ничто", из которого возникает вполне измеримое "нечто".
Эффект Казимира известен физикам уже достаточно давно. В 1948 году датский физик Хендрик Казимир в результате теоретических исследований предсказал, что если поместить в вакуум две незаряженные металлические пластины, расположив их параллельно и крайне близко одна к другой (на расстоянии порядка микрона), то между ними возникает взаимное притяжение. Сила притяжения обратно пропорциональна четвертой степени расстояния между пластинами, то есть с уменьшением расстояния резко возрастает. Но даже при субмикронных расстояниях она остается настолько малой, что экспериментально обнаружить эффект Казимира удалось только через десять лет после его предсказания, а провести непосредственные измерения - в 1996 году. Наиболее интересно то, что появление казимировского притяжения обусловлено свойствами вакуума - его квантовыми флуктуациями.
Долгое время вакуум был синонимом полной пустоты, пространства, в котором ничего не происходит и происходить не может, так как в нем нет ни материальных частиц, ни энергии. Однако с развитием квантовой теории поля (квантовой электродинамики) выяснилось, что вакуум можно рассматривать как сцену, на которой разыгрываются некие виртуальные, то есть "ненаблюдаемые", процессы. Появился термин "физический вакуум", под которым понимают средоточие виртуальных частиц, непрерывно рождающихся на короткие мгновения и тут же исчезающих. В соответствии с современными представлениями, они рождаются пaрами "частица - античастица" и исчезают в результате аннигиляции. Так, виртуальная пара "электрон - позитрон" аннигилирует с образованием виртуального фотона, который снова превращается в электрон-позитронную пару и т. д. Рождение и уничтожение виртуальных частиц и есть квантовые флуктуации. Поскольку любые флуктуации - это колебания вокруг некоторого среднего значения, физический вакуум рассматривается как квантовая система в состоянии с минимальной энергией, в среднем равной нулю. Поэтому квантовые флуктуации вакуума часто называют нулевыми колебаниями электромагнитного поля.
Таким образом, вакуум оказывается не "пустым", а заполненным виртуальными частицами, которые не поддаются регистрации, но при определенных условиях становятся реальными - например, при наложении внешнего поля большой энергии. Кроме того, они могут оказывать действие на внесенные в вакуум реальные частицы и поля. Одним из таких действий и является эффект Казимира, суть которого, упрощенно говоря, сводится к следующему.
Согласно квантовой механике, в микромире каждая частица обнаруживает и волновые свойства. Это распространяется и на виртуальные частицы, причем нулевым колебаниям вакуума соответствуют различные длины волн. При эффекте Казимира две параллельные пластинки можно рассматривать как резонатор, в котором существуют только те волны, для которых соблюдается условие резонанса: на расстоянии L между пластинками укладывается целое число n полуволн. Максимально возможная длина волны будет при n=1 в пространстве между пластинками не могут рождаться виртуальные фотоны с длинами волн, превышающими 2-L. Поэтому плотность энергии нулевых колебаний в зазоре между пластинками меньше, чем снаружи, что и обусловливает притяжение пластинок.
Обеспечить параллельность пластинок при субмикронном зазоре чрезвычайно трудно, поэтому большинство экспериментов по исследованию эффекта Казимира проводили, заменяя одну из пластинок сферой. В этом случае сила притяжения обратно пропорциональна кубу расстояния между ней и пластинкой. В 1999 году такой эксперимент выполнили У. Мохидин и А. Рой в Калифорнийском университете. Притяжение между плоской и сферической металлическими поверхностями исследовали при помощи так называемого атомного силового микроскопа (см. "Наука и жизнь" № 9, 1989 г.). Был учтен вклад электростатических зарядов, неровности поверхностей и прочих мешающих факторов. Удалось также обнаружить предсказанную зависимость величины эффекта от температуры тел. Эксперименты подтвердили теорию с точностью до 1%.
Другие исследования эффекта Казимира в конфигурации "плоскость - сфера" были выполнены в 2001 году группой физиков из Bell Laboratories и Lucent Technologies (Г. Чан и др.). Пластина, положенная на два параллельных тонких пьезоэлектрода, могла наклоняться в обе стороны относительно середины, образуя крутильный маятник с малой амплитудой, а сфера располагалась над одним из "крыльев" пластины. Выполненные измерения привели исследователей к выводу, что эффект Казимира будет играть роль неустранимой помехи в микромашинах будущего с движущимися частями. Как бы мы ни старались: устраняли электростатические силы, создавали между движущимися частями глубокий вакуум, чтобы избежать трения, отдельные детали механизма все равно станут притягиваться за счет силы Казимира!
Величина этой силы, однако, зависит от геометрии поверхностей. В случае пластин она всегда действует перпендикулярно их плоскости. В 1997 году физик из Массачусетского технологического института М. Кардар предположил, что, если две пластины сделать рифлеными, можно заставить силу Казимира действовать вдоль поверхности, пластины будут не притягиваться, а смещаться, чему можно найти полезное применение. И последний по времени эксперимент, выполненный в лаборатории Мохидина, подтвердил это. Экспериментаторы поместили две гофрированные золотые пластины в вакуум на расстоянии несколько сотен нанометров, совместив их выпуклости и вогнутости. Когда пластины немного сместили, появилась сила, возвратившая их в исходную позицию. Так впервые физики заставили "работать" вакуум с его виртуальными частицами. Продольная сила Казимира очень слаба (в эксперименте она составила несколько пиконьютонов) и быстро убывает с расстоянием, но Мохидин уверен, что в масштабах будущих квантовых компьютеров она вполне может приводить в действие наномашины.