Οι φυσικοί διευκρινίζουν την εξωτική δύναμη Casimir αλλά όχι ακόμα και την Θεωρία των Πάντων

Πηγή: PhysOrg, Δεκέμβριος 2005

Η αναζήτηση από τους φυσικούς μιας ενιαίας θεωρίας, που να ενώνει τις θεμελιώδεις δυνάμεις όλου του κόσμου, δεν έχει φέρει κανένα αποτέλεσμα μέχρι τώρα, αλλά μία ομάδα φυσικών ψάχνει να βρει λύσεις στο Ιερό Δισκοπότηρο της φυσικής από την νανοτεχνολογία.

Η ομάδα, που περιλαμβάνει τον Ephraim Fischbach, του πανεπιστημίου Purdue, έχει ολοκληρώσει πρόσφατα μια έρευνα για το πως μικροσκοπικά αντικείμενα τοποθετημένων πολύ κοντά μπορούν να επηρεάσουν το ένα το άλλο. Το πείραμά τους, που περιλαμβάνει τη συμπεριφορά μιας μικροσκοπικής χρυσής σφαίρας καθώς αυτή κινείται πάνω από διαφορετικές ουσίες, δείχνει ότι η βαρύτητα συμπεριφέρεται ακριβώς όπως πρόβλεψε ο Ισαάκ Νεύτωνας, ακόμη και στις μικρές κλίμακες.

Δυστυχώς για εκείνους η αναζήτηση της "Θεωρίας του Παντός", τα ευρήματα τους φαίνεται να αποκλείουν τις εξαιρέσεις της θεωρίας της βαρύτητας του Νεύτωνα, που οι φυσικοί θεωρούσαν ότι εμφανίζονται όταν τα αντικείμενα ήταν αρκετά μικροσκοπικά.

Αλλά στην πειραματική διαδικασία, η ομάδα έχει μετρήσει μια άλλη, λιγότερο εξοικειωμένη, δύναμη, που επηρεάζει τα μικρά αντικείμενα και σε αυτές τις κλίμακες έχει μεγαλύτερη επίδραση και από την ίδια τη βαρύτητα. Οι ακριβείς τους παρατηρήσεις γι' αυτή την δύναμη Casimir θα μπορούσαν να καταστήσουν τη ζωή ευκολότερη στους νανοτεχνολόγους, οι μικροσκοπικές δημιουργίες των οποίων υπόκεινται στα αποτελέσματά της.

"Έχουμε μετρήσει τη δύναμη Casimir με τη μεγαλύτερη ακρίβεια που έχει ποτέ επιτευχθεί", σχολιάζει ο Fischbach, που είναι καθηγητής της φυσικής στο Κολέγιο των Επιστημών του Purdue. "Επειδή αυτή η δύναμη μπορεί να ωθήσει τα μικρά αντικείμενα, μια πιο σαφής σύλληψη των αποτελεσμάτων της θα είναι χρήσιμη στη βιομηχανία της νανοτεχνολογίας. Ο κάθε ένας που δημιουργεί μια νανοσυσκευή θα πρέπει να εξετάσει τη δύναμη Casimir, ακριβώς όπως ένας κατασκευαστής αυτοκινήτων πρέπει να εξετάσει την τριβή και την αντίσταση αέρα".

Κι ακριβώς όπως οι σχεδιαστές των αυτοκινήτων θέλουν να ελαχιστοποιήσουν τα αποτελέσματα της τριβής στα οχήματά τους, η ερευνητική ομάδα θέλησε να ελαχιστοποιήσει τα αποτελέσματα της δύναμης Casimir, η οποία εκφράζεται σαν μια ισχυρή έλξη μεταξύ των μικροσκοπικών αντικειμένων, που διαχωρίζονται από μια απόσταση μερικών εκατοντάδων νανόμετρα. Τα μέλη της ομάδας έχουν δημοσιεύσει κι άλλες εργασίες πάνω στην ίδια έρευνα.

Στη νέα εργασία τους κάνουν μια καλύτερη μέτρηση της δύναμης Casimir αλλά και βλέπουν τα πολύ πιο εξασθενημένα αποτελέσματα της βαρύτητας στο νανόκοσμο, κάτι που τα μέλη της ομάδας θεωρούν ότι θα μπορούσε να οδηγήσει στην πολύ βαθύτερη γνώση του κόσμου.

"Κάνουμε μια εργασία που θα μπορούσε να έχει κοσμολογικές επιπτώσεις, αλλά στηρίζεται στη συμπεριφορά αντικειμένων πάρα πολύ μικρών", λέει ο Ricardo S. Decca, βοηθός καθηγητής της φυσικής στο πανεπιστήμιο Purdue της Ινδιανάπολις (IUPUI), που σχεδίασε το πείραμα. "Αν και η μέτρηση της δύναμης Casimir έχει την πρακτική της αξία για τους σημερινούς νανομηχανικούς, αυτό που προσπαθούμε να κάνουμε είναι να βρούμε αν η βαρύτητα συμπεριφέρεται διαφορετικά από αυτόπου νομίζουμε, όταν η κλίμακα είναι αρκετά μικρή. Το πρόβλημα είναι ότι η δύναμη Casimir είναι τόσο ισχυρή σε αυτή την κλίμακα που αποκλείει (πνίγει) ουσιαστικά τη βαρύτητα στο σημείο όπου είναι μη παρατηρήσιμη".

Για να λύσει αυτό το πρόβλημα, η ομάδα τοποθέτησε μια μικροσκοπική σφαίρα από χρυσό στην άκρη ενός εύκαμπτου πρόβολου (μιας άρθρωσης δηλαδή), που δίνει την εντύπωση ενός εύκαμπτου βατήρα καταδύσεων. Στη συνέχεια τοποθέτησαν τον πρόβολο σε μια κινητή βάση, που θα μπορούσε να κινηθεί από τη μία πλευρά στην άλλη. Μερικές εκατοντάδες νανόμετρα πιο κάτω από τη σφαίρα ήταν ένας δίσκος φτιαγμένος από δύο διαφορετικά υλικά - χρυσός στην μια πλευρά, γερμάνιο στην άλλη - που καλύφθηκαν έπειτα με ένα πολύ λεπτό στρώμα του χρυσού.

Επειδή η επίδραση της δύναμης Casimir είναι παρατηρήσιμη  μόνο σε αποστάσεις μερικών εκατοντάδων νανόμετρων, η επίδρασή της με τις χρυσές επιφάνειες της σφαίρας και του δίσκου ήταν ίδια, ανεξάρτητα από ποιο υλικό ήταν κάτω από το χρυσό επίστρωμα. Αλλά επειδή η βαρύτητα μπορεί να παρατηρηθεί σε μεγαλύτερες αποστάσεις, η ομάδα ήταν σε θέση να κινήσει τη σφαίρα μπρος πίσω πάνω από το δίσκο, παρατηρώντας την κάμψη του πρόβολου πάνω από τα δύο τμήματα.

"Το γερμάνιο έχει διαφορετική μάζα από χρυσή, έτσι ξέραμε ότι ο πρόβολος θα είχε μεγαλύτερη κλίση στην μια πλευρά εάν η βαρύτητα συμπεριφερόταν όπως αναμενόταν", εξηγεί ο Fischbach. "Το ζήτημα ήταν εάν θα καμπτόταν διαφορετικά από ό, τι προβλέπει ο Νεύτωνας λόγω κάποιας άγνωστης εξαίρεσης στη συμπεριφορά της βαρύτητας στην κβαντική κλίμακα.

Αν φαινόταν μια παραλλαγή θα ήταν μια επαναστατική ανακάλυψη, επειδή μπορεί οι φυσικοί να είχαν αντιληφθεί τότε τη σχέση μεταξύ της μεγάλης κλίμακας βαρύτητας και του μικροσκοπικού κβαντικού κόσμου των στοιχειωδών φορτισμένων σωματιδίων, κάτι που έχει αποδειχθεί μέχρι τώρα αδύνατον.

"Σήμερα πρέπει ακόμα να περιγράψουμε τη συμπεριφορά του κόσμου με όρους πολλών δυνάμεων - τη βαρύτητα, τον ηλεκτρομαγνητισμό, και τις ισχυρές και ασθενείς πυρηνικές δυνάμεις", συμπληρώνει ο Fischbach. "Η βαρύτητα φαίνεται συχνά να είναι η περίεργη δύναμη ή αταίριαστη, επειδή οι άλλες είναι κυρίως ορατές στην κβαντική κλίμακα. Η σύνδεση της με τον κβαντικό κόσμο είναι το Ιερό Δισκοπότηρο της φυσικής, και ελπίζαμε ότι αυτό το πείραμα θα μας έδινε μια ένδειξη για το πώς γίνεται".

Μπορεί όμως να μην παρουσιάστηκε στο πείραμα καμία απόκλιση από την αναμενόμενη συμπεριφορά της βαρύτητας, αλλά η ομάδα έχει σχέδια για να βελτιώσει τις μεθόδους της ώστε να κάνει ακόμα λεπτότερες παρατηρήσεις την επόμενη φορά.

"Προσπαθούμε να βελτιώσουμε το πείραμά μας ώστε να είναι εκατομμύρια φορές πιο ευαίσθητο από όσο είναι τώρα, που είναι ήδη πολύ ευαίσθητο σε αυτήν την κλίμακα", λέει ο Decca.

Μέχρι τότε, είπε ο Fischbach, η καλύτερη κατανόηση της δύναμης Casimir θα μπορούσε να βοηθήσει και την ομάδα του και περισσότερους προσανατολισμένους στις επιχειρήσεις της νανοτεχνολογίας ερευνητές.

"Χωρίς να λαμβάνεται υπόψη η δύναμη Casimir, τα νανοσωματίδια μπορεί να συσσωρεύονται μαζί, και οι νανομηχανές μπορεί να εμφανίζουν ανεπιθύμητη συμπεριφορά λόγω των αποτελεσμάτων της ελκτικής δύναμης", εξήγησε. "Αυτή η μελέτη θα φέρει ενδεχομένως χρήσιμες πληροφορίες στον σχεδιασμό των νανοσυσκευών. Και δεδομένου ότι η ομάδα μας εργάζεται με τέτοια μικρά εργαλεία, θα μας βοηθήσει πιθανώς την επόμενη φορά που θα ξανασχεδιάσουμε το πείραμά μας".

Το φαινόμενο Casimir, που προβλέφτηκε το 1948 από τον Ολλανδό φυσικό Hendrick Casimir, είναι μια ελκτική δύναμη που δρα μεταξύ δύο μεταλλικών δίσκων που βρίσκονται πολύ κοντά και ανάμεσα τους υπάρχει το απόλυτο κενό ή κενός χώρος. Όσο δε πιο κοντά είναι οι δίσκοι τόσο ισχυρότερη είναι η δύναμη.

Αυτό που μπορεί να θεωρηθεί ως κενό διάστημα σφύζει κυριολεκτικά με εφήμερα σωματίδια (εικονικά όμως) και ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Εντούτοις, επειδή οι δίσκοι είναι πολύ κοντά ο ένας με τον άλλο, πολλά από τα σωματίδια και τα πεδία δεν μπορούν να βρεθούν μεταξύ των δίσκων. Αυτό σημαίνει ότι ο χώρος που περιβάλλει τους δίσκους περιέχει περισσότερες σωματίδια και ενέργεια από τον χώρο μεταξύ των δίσκων. Το ενεργειακά πυκνότερο διάστημα που περιβάλλει τους δλισκους ασκεί μια δύναμη στο μέταλλο, έλκοντας καταυτό τον τρόπο τους δίσκους.

Η δύναμη του φαινομένου Casimir εξαρτάται από τον αριθμό των ηλεκτρονίων στο μέταλλο από το οποίο κατασκευάζονται οι δίσκοι, αλλά και από το σχήμα των δίσκων. Για αυτό τον λόγο, φυσικοί του πανεπιστημίου Purdue εξέτασαν το φαινόμενο χρησιμοποιώντας δίσκους φτιαγμένους από ισότοπα του ίδιου μετάλλου.