Сила притяжения между двумя поверхностями в вакууме, впервые предсказанная Генрихом Казимиром (Hendrik Casimir) более 50 лет назад, может повлиять практически на все - от микроприборов до теорий Мироздания.

Что произойдет если Вы возьмете два зеркала и установите их зеркальными сторонами друг к другу в пустом пространстве ? Да ничего не произойдет, скажете Вы. А на самом деле зеркала притягиваются друг к другу из-за того, что между ними находится вакуум. Это явление было впервые предсказанно немецким физиком-теоретиком Генрихом Казимиром в 1948 году, когда он работал в исследовательском центре Philips Research Laboratories в Эйндховене (Eindhoven) над коллоидными растворами. Это явление получило название эффекта Казимира, а сила, возникающая между зеркалами - сила Казимира.

Долгие годы эффект Казимира был не многим более, чем интересной теорией. Но в последние годы интерес к этому явлению вырос. Физики-экспериментаторы обнаружили, что сила Казимира оказывает влияние на микромеханизмы, а прогресс в техническом оснащении сделал возможным измерение этой силы со значительно большей точностью.

Интересен этот эффект и с точки зрения фундаментальной физики. Многие теории предсказывают существование "протяженных" дополнительных измерений в 10- и 11-мерных теориях. Согласно этим теориям, должно наблюдаться отклонение от классической ньютоновой гравитации на субмиллиметровых расстояниях. Измерения действия эффекта Казимира таким образом может помочь в проверке подобных гипотез.

Может показаться, что флуктуации вакуума это некоторые абстракции, возникшие в больном мозгу физика, но это не так. Их наблюдаемые проявления вполне могут быть экспериментально обнаружены в микромире. Например, атом не будет оставаться бесконечно долго в возбужденном состоянии, а перейдет в основное, спонтанно испустив фотон. Это явление - следствие флуктуаций вакуума. Попробуйте удержать карандаш "прямостоящим" на конце пальца. Он будет стоять, но только если Ваша рука будет абсолютно устойчивой и ничто не будет нарушать равновесия карандаша. Но малейшее колебание повергнет карандаш в более устойчивое равновесное состояние. Так и атом в возбужденном состоянии - под действием флуктуаций вакуума он переходит в свое основное состояние.

Сила Казимира - наиболее известное механическое проявление флуктуаций вакуума. Рассмотрим щель между двумя плоскими зеркалами как потенциальную яму . Все электромагнитные поля имеют характерный спектр, состоящий изо многих различных частот. В свободном вакууме все частоты равноправны. Но в потенциальной яме, где поле, отражаясь, "колеблется" между зеркалами, ситуация отлична от случая свободного вакуума. Поле усиливается, если целое число половин длин волн точно "помещается" в яму. Эти длины волн соответствуют "резонансу потенциальной ямы". Длины волн, отличные от резонансных, напротив, подавляются. Флуктуации вакуума подавляются или же усиливаются в зависимости от того, соответствуют их частоты резонансным или нет.

При обсуждении силы Казимира нельзя не упомянуть о "давлении поля излучения". Каждое поле - даже вакуум - переносит энергию. Электромагнитные поля не просто распостраняются в пространстве - они еще и оказывают давление на поверхности, так же, как вода давит на плотину. Давление излучения растет с ростом энергии и, таким образом, с частотой электромагнитного поля. Давление излучения на резонансных частотах внутри полости сильнее, чем снаружи и зеркала отталкиваются. Вне резонанса же наоборот - давление внутри меньше, чем снаружи и зеркала притягиваются друг к другу. Так как отталкивание происходит на конкретном наборе частот, а притягивание - на всех остальных частотах, то притягивающая компонента все же "сильнее" отталкивающей. При этом необходимо отметить, что обе компоненты - как притягивающая, так и отталкивающая - существуют одновременно.

Томас Эдет (Thomas Ederth) из Королевского Технологического Института (Royal Institute of Technology) в Стокгольме, Швеция, использовал атомный микроскоп для изучения эффекта Казимира. Он измерил силу, возникающую между двумя цилиндрами, покрытыми золотом, повернутыми на 90° друг относительно друга и разделенными расстоянием в 20 нанометров. Его результат согласуется с теорией лучше, чем на 99%.

Эффект Казимира может также играть роль при точных измерениях силы в микромире на микро- и нанометровых шкалах. Ньютоновский закон много раз проверялся в макромире, например, при исследовании движения планет. Но еще никому не удавалось проверить его на микронных расстояниях с хорошей точностью. Такие тесты очень важны, так как существует множество теорий, в которых происходит объединение всех четырех взаимодействий, и эти теории предсказывают существование новых сил, действующих на этих шкалах. Таким образом, любое расхождение между экспериментом и теорией может интерпретироваться как существование новых сил. В любом случае, измерения положат новые ограничения на существуюшие теории.

Джинс Гандблах (Jens Gundlach) с коллегами из Вашингтона, например, использовали крутильный маятник для определения гравитационной силы между двумя тестовыми массами, разделенными от 10 мм до 220 микрон. Их измерения подтвердили, что ньютоновская гравитация действует на этих шкалах, а сила Казимира доминирует на значительно меньших расстояниях. Тем временем Джошуа Лонг (Joshua Long), Джонн Прайс (John Price) с коллегами из Университета Колорадо вместе с Эфрамом Фишбахом (Ephraim Fischbach) и его сотрудниками из Университета Парду (Purdue University) попытались устранить действие эффекта Казимира на субмиллиметровые тесты гравитации путем более тщательного выбора материалов, используемых в эксперименте.

Существование боковых сил (также называемых оптическими связывающими силами — optical binding force) теоретики предсказывали с 2005 года, причём предполагалось, что эти силы могут быть как отталкивающими, так и притягивающими. Последние как раз удалось обнаружить в прошлом году.
А вот теперь та же группа исследователей построила микроскопическое устройство, в котором добилась проявления как силы притяжения, так и силы отталкивания между соседними световыми пучками, пойманными внутри волноводов. Причём физики нашли способ регулировать эти силы по своему желанию.
"Это завершает картину, — заявил Тан. — Мы показали, что действительно существует двухполярная сила света с притягивающей и отталкивающей компонентами". Физики поясняют, что существование оптических связывающих сил увязано с уравнениями Максвелла, а по физической сути данные силы являются родственниками силы Казимира, которая появляется из-за квантовых флуктуаций в вакууме.
Для проявления этой новой силы учёные разделили луч инфракрасного лазера на два отдельных потока, проходящих по кремниевым нановолноводам, отличным по длине. После завершения такой петли эти волноводы подходили вплотную друг к другу (расстояние в ряде опытов менялось). В этот момент два бегущих рядом пучка оказывались со смещёнными друг относительно друга фазами.
В зависимости от величины этого сдвига, выяснили экспериментаторы, и меняется (по величине и знаку) боковая сила взаимодействия этих пучков, которую они передают на удерживающие их волноводы. И хотя сила была мала (порядка нескольких пиконьютонов), её удалось измерить и выявить закономерности: открытая сила зависела и от сдвига фаз, и от мощности излучения, и от расстояния между нановолноводами.

    По современной квантовой теории в любой точке могут возникнуть на короткое время любые пары частица/античастица, любые поля и тут же исчезать вновь. Главное, что время существования такого "новообразования" должно быть тем меньше, чем ее больше суммарная энергия - в соответствии с соотношением неопределенности Гейзенберга (Вернер Карл Гейзенберг).
    Это - флуктуации вакуума (нулевые колебания вакуума); порожденные пары называют виртуальными. Если поблизости нет реальных частиц, они ни на что не влияют. Наличие частицы-волны проявляет виртуальные пары, как бы "растасскивая" их, заставляя их плодится и роиться вокруг себя облачком... (поляризация вакуума).
    Нулевые колебания электромагнитного поля заставляют "дрожать" электрон, движущийся в атоме, - он как бы превращается в шарик с радиусом, равным амплитуде дрожания, слабее взаимодействующий с ядром, чем точечный электрон. В результате энергетические уровни атома слегка сдвигаются по сравнению со значением, вычисленным без учета дрожания. Этот эффект впервые обнаружил сотрудник Колумбийского университета (США) экспериментатор У. Лэмб в 1947 году.
    По этой причине полученное экспериментально значение магнитного момента электрона отличается в 1.001159652200 раз от значения магнетона Бора (Нильс Бор) предсказанного по уравнению Дирака (Поль Дирак).
    Когда была создана теория перенормировок, лэмбовский сдвиг оказался первым физическим эффектом, на котором подтвердилась ее правильность (и, соответственно, правильность квантовой электродинамики /КЭД/, построенной с использованием этой перенормировки). Вычисленное новое теоретическое значение оказалось равно 1.001159652415 магнетонам Бора, что поразительно точно совпадает с экспериментом.
    За свою работу Лэмб был удостоен Нобелевской премии.