Fornit
 

Это – копия оригинальной страницы, взятая из инета,
адрес которой http://nauka.relis.ru/16/0212/16212147.htm. В конце статьи вставка про гравитацию синим.
Этот документ использован в разделеТЕОРИИ.


ВЕСТИ ИЗ ИНСТИТУТОВ, ЛАБОРАТОРИЙ, ЭКСПЕДИЦИЙ

"Американские физики получили нечто из ничего"

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.


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.

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.

Доктор технических наук А. Голубев.

Однако, в таком дорогом и сложном эксперименте даже не было необходимости. Давно существуют другие эффекты в физике (например, так называемый Лэмбовский сдвиг и изменение магнитного момента электрона) которые однозначно указывают на существование флуктуации в вакууме.

О Гравитации.
В таких экспериментах присутствие вакуума несомненно, но при этом значение его энергии ускользает от измерения. Последнее связано с тем принципиальным обстоятельством, что во всех - кроме гравитации! - физических взаимодействиях проявляется только разность энергий физической системы в различные моменты времени и/или в различных точках пространства, но не величина энергии в данном состоянии физической системы. Лишь гравитация "чувствует" саму энергию, а не ее разности. Грандиозным инструментом, естественной экспериментальной установкой для открытия физического вакуума послужила вся наблюдаемая Вселенная, в которой вакуум оказался доминирующим по энергии и по создаваемой ею гравитации.

Рассматривая гравитационное взаимодействие не как фундаментальное взаимодействие, а как результат флуктуаций поля, процесс можно представить так: под действием массы тела в окружающем пространстве (в вакууме) уменьшается плотность энергии нулевых колебаний поля и возникает разность давления, в результате происходит притяжение тел, т.е. со стороны тела амплитуда флуктуаций меньше.

Амплитуда флуктуаций в разных областях полевого пространства может быть различной. Чем выше "температура" вакуумной (полевой) среды, тем больше амплитуда флуктуаций. Вещество как диссипативная среда, преобразуя энергию флуктуаций в различные устойчивые возбужденные состояния поля, "охлаждает" вакуум, т.е. гравитация связана с "тепловым искривлением" полевого пространства. "Охлаждение" вакуума представляет отрицательное значение плотности энергии полевого пространства (гравитационного потока):

w = -gM2/8pr4

(формула для шара, при r большем, чем его радиус), где g - гравитационная постоянная, M - масса шара, r - расстояние от центра шара. Например, на поверхности Земли в каждом кубическом метре пространства величина полевой энергии имеет отрицательное значение 5.7·1010 Дж, что, согласно соотношению W = Mc2, соответствует 6.4·10-7 кг, для сравнения - такую же величину гравитационной энергии связи на поверхности Земли имеет тело массой 920 кг.

Напряженность гравитационного поля неподвижной материальной точки массой M, находящейся в начале координат, равна G = -gM/r2.
Соответственно, гравитационный поток:

Фg = -gMS/r2,

где S - площадь. Плотность энергии гравитационного потока:

w = -G2/8pg,

Знак минус в формуле связан с отрицательным значением гравитационной энергии и означает то, что гравитационные потоки (линии гравитационной индукции) всегда начинаются в полевом пространстве (физическом вакууме) и имеют направление в сторону массы.

Гравитационный поток напряженности поля обладает энергией, например, энергия гравитационного поля (потока) шара:

U = -3gM2/5R

Где M - масса шара, R - радиус шара, - чем больше масса, тем меньше энергия поля. Например, гравитационное поле Земли имеет отрицательную энергию 2.2·1032 Дж, что, согласно соотношению W = Mc2, соответствует 2.5·1015 кг, для сравнения - масса Земли 5.98·1024 кг. Если же радиус шара равен гравитационному радиусу R = 2gM/c2, то масса отрицательной энергии гравитационного поля равна Mполя = -0.3M, т.е. составляет почти одну треть от массы шара. Дальнейшее сжатие или увеличение массы шара приведет к тому, что масса шара по абсолютной величине сравняется с массой гравитационного поля и их суммарная масса (энергия) будет равна нулю.

Таким образом, масса тела, забирая на себя энергию вакуумных флуктуаций, создает в окружающем полевом пространстве отрицательную плотность энергии поля. Т.е. гравитационный поток - это движущийся в сторону массы поток энергии флуктуаций поля, который в веществе превращается в различные устойчивые возбужденные состояния поля. Чем ближе к массе, тем меньше плотность внутренней энергии поля и тем меньше амплитуда флуктуаций, что создает разность давления в виде гравитационной силы. Только представляя гравитационное взаимодействие как результат вакуумных флуктуаций, можно дать логически непротиворечивое объяснение, почему гравитационная энергия поля имеет отрицательное значение. Чтобы уменьшить энергию гравитационного потока (по абсолютной величине), необходимо затратить энергию.

Надо заметить, что изменение "температуры" вакуумной (полевой) среды - это также изменение ее диэлектрической и магнитной проницаемостей, например, вблизи массы они увеличиваются, так как скорость распространения электромагнитных волн уменьшается e0m0 = 1/c2. Изменение электрических и магнитных свойств происходит при изменении плотности среды.

Выдержки взяты из:
Физика. В.Ф.Дмитриева. 2001. С.259.
Задачи по общей физике. И.Е.Иродов. 2001. С.344.
Справочник по физике. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. 1996. С.75.