Ποιό είναι το φαινόμενο Casimir;

Ο Hendrik Brugt Gerhard Casimir γεννήθηκε στη Χάγη της Ολλανδίας, το 1909 και πέθανε την άνοιξη του 2000. Ο Casimir έγινε γνωστός για την πρόβλεψη του φαινομένου που φέρει το όνομα του από το 1948. Η εξήγηση ήλθε 10 χρόνια αργότερα με τη βοήθεια πειραμάτων.

Το φαινόμενο Casimir είναι μια μικρή ελκτική δύναμη που δρα μεταξύ δύο αφόρτιστων αγώγιμων πλακών παράλληλων μεταξύ τους όταν βρίσκονται σε πολύ κοντινή απόσταση. Το φαινόμενο το πρόβλεψε ο Ολλανδός φυσικός Hendrick Casimir το 1948.

Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία, ο χώρος που φανταζόμαστε ως κενό δεν είναι εντελώς άδειος γιατί κάτι τέτοιο θα σήμαινε ότι η ένταση των διαφόρων πεδίων όπως του βαρυτικού και του ηλεκτρικού είναι μηδέν.
Αλλά η τιμή και ο ρυθμός της χρονικής μεταβολής ενός πεδίου είναι δύο μεγέθη όπως η θέση και η ταχύτητα, δηλαδή ισχύει γι αυτά η αρχή της απροσδιοριστίας. Όσο μεγαλύτερη είναι η ακρίβεια προσδιορισμού της μιας από αυτές τις ποσότητες τόσο μικρότερη είναι η ακρίβεια προσδιορισμού της άλλης.

Ανάμεσα στις παράλληλες μεταλλικές πλάκες ασκείται μια ελκτική δύναμη. Η πεπερασμένη απόσταση μεταξύ των πλακών εμποδίζει την υλοποίηση 'δυνάμει' σωματιδίων στον ενδιάμεσο κενό χώρο (ο κενός χώρος είναι γεμάτος από παροδικά τέτοια σωματίδια), με μήκη κύματος μεγαλύτερο από κάποιο συγκεκριμένο ανώτατο όριο. Έτσι υπάρχουν περισσότερα σωματίδια έξω από τις πλάκες παρά στον ενδιάμεσο χώρο. Η διαφορά αυτή εκδηλώνεται σαν μια ελκτική δύναμη. Το φαινόμενο Casimir εξαρτάται από το σχήμα των πλακών.

Έτσι στον κενό χώρο το πεδίο δεν μπορεί να διατηρείται ακριβώς ίσο με το μηδέν, γιατί τότε θα είχε και μια ακριβώς προσδιορισμένη τιμή (μηδέν) και έναν ακριβώς προσδιορισμένο ρυθμό χρονικής μεταβολής (επίσης μηδέν).

Πρέπει να υπάρχει μια ορισμένη ελάχιστη ποσότητα απροσδιοριστίας- μια κβαντική διακύμανση- στην τιμή και το ρυθμό μεταβολής του πεδίου. Μπορεί να φανταστεί κανείς αυτές τις κβαντικές διακυμάνσεις ως ζεύγη σωματιδίων φορέων αλληλεπίδρασης πχ φωτόνια που εμφανίζονται μαζί σε κάποιο σημείο, απομακρύνονται και ύστερα πλησιάζουν πάλι και εξαυλώνονται.

Αυτά τα δυνάμει σωματίδια δεν μπορούν να ανιχνευτούν άμεσα από ένα ανιχνευτή σωματιδίων. Επειδή όμως μεταφέρουν ενέργεια, προκειμένου να μην παραβιάζεται η αρχή διατήρησης της ενέργειας, η διάρκεια ζωής τους Δt είναι τέτοια ώστε η απροσδιοριστία της ενέργειάς τους ΔΕ πολλαπλασιασμένη επί Δt να είναι της τάξης μεγέθους της σταθεράς του Planck h.

Σύμφωνα με τη θεωρία η ολική ενέργεια της θεμελιώδους στάθμης του κενού είναι άπειρη αν αθροιστούν όλες οι δυνατές καταστάσεις των δυνάμει φωτονίων που μπορούν να δημιουργηθούν. Ο Casimir έδειξε ότι προκειμένου να μην απειρίζεται η ενέργεια μηδενικής στάθμης του κενού, πρέπει σ’ αυτήν να συνεισφέρουν μόνο τα δυνάμει φωτόνια εκείνα που το μήκος κύματός τους χωράει ακέραιο αριθμό φορών στην απόσταση των δύο πλακών.

Συνεπώς η πυκνότητα ενέργειας του κενού στο χώρο μεταξύ των πλακών μειώνεται καθώς ελαττώνεται η απόσταση των πλακών αφού τα μήκη κύματος που συνεισφέρουν είναι τώρα λιγότερα. Αυτό με άλλα λόγια σημαίνει ότι υπάρχει μια μικρή δύναμη που προσπαθεί να φέρει τις πλάκες πιο κοντά.
Η μικροσκοπική αυτή δύναμη μετρήθηκε το 1996 από τον Steven Lamoreaux. Τα αποτελέσματά του ήταν σε συμφωνία με τη θεωρία μέσα σε πειραματικό σφάλμα 5%.

Άλλα σωματίδια εκτός των φωτονίων συνεισφέρουν επίσης κατά μικρό ποσοστό στη δύναμη μεταξύ των πλακών, αλλά μόνο η δύναμη από τα φωτόνια είναι μετρήσιμη. Όλα τα μποζόνια όπως τα φωτόνια οδηγούν σε ελκτική δύναμη Casimir, ενώ τα φερμιόνια έχουν απωστική συνεισφορά.

Αν ο ηλεκτρομαγνητισμός ήταν μια υπερσυμμετρική θεωρία τα φερμιόνια φωτίνα τα οποία προβλέπουν οι υπερσυμμετρικές θεωρίες ως συνοδευτικά των φωτονίων, θα είχαν συνεισφορά στο φαινόμενο Casimir που θα αναιρούσε αυτή των φωτονίων και η συνολική δύναμη θα ήταν μηδέν.

Το γεγονός όμως ότι το φαινόμενο Casimir υπάρχει δείχνει ότι αν η υπερσυμμετρία υπάρχει στη φύση πρέπει να είναι μια σπασμένη συμμετρία.

Ενέργεια του Κενού

Μηδενική Ενέργεια Σημείου (Zero Point Energy), ή ενέργεια   διακύμανσης του κενού είναι όροι που χρησιμοποιούνται για να περιγράψουν τις τυχαίες ηλεκτρομαγνητικές ταλαντώσεις που απομένουν σε ένα κενό όταν όλη η άλλη ενέργεια έχει απομακρυνθεί.

Αν απομακρύνουμε όλη την ενέργεια από το χώρο, βγάλουμε όλη τη μάζα, την θερμότητα, όλο το φως... οτιδήποτε -- θα βρούμε πως κάποια ακόμη ενέργεια θα απομείνει. Ενας τρόπος για να το εξηγήσουμε αυτό, είναι με την αρχή της αβεβαιότητας από την κβαντική φυσική που συμπεραίνει πως είναι αδύνατον να έχουμε μιά απολύτως ενέργεια κενού.