Μια επιστημονική ομάδα κάνει ένα 'φανταστικό ταξίδι' θέλοντας να ερευνήσει τον κενό χώρο - με ένα πιθανό όφελος που μέχρι τώρα μόνο στην σφαίρα της επιστημονικής φαντασίας έχει αναφερθεί. Η μελέτη συγκεκριμένα στοχεύει να ερευνήσει τον κενό χώρο όπου κινούνται φανταστικά σωματίδια και ο οποίος έχει μια μεγάλη εγγενή ενεργειακή πυκνότητα, γνωστή ως η ενέργεια του μηδενικού σημείου.

Με την πρόσφατη επένδυση του πάνω στο Εικονικό Μικροσκοπικό Κέντρο και το Κέντρο Διεπαφών Νανοκλίμακας το πανεπιστήμιο του Λέιτσεστερ έχει ένα προβάδισμα πάνω στις μετρήσεις της δύναμης Casimir..

Το φαινόμενο Casimir είναι μια μικρή ελκτική δύναμη που δρα μεταξύ δύο αφόρτιστων αγώγιμων πλακών παράλληλων μεταξύ τους όταν βρίσκονται σε πολύ κοντινή απόσταση. Η δύναμη - που την πρόβλεψε ο Ολλανδός φυσικός Hendrick Casimir το 1948 - Casimir είναι μια μυστήρια αλληλεπίδραση μεταξύ σωματιδίων που αναδύονται κατευθείαν από το κενό εξ αιτίας των κβαντικών ιδιοτήτων του. Στην κλασσική φυσική το κενό είναι η απλή απουσία όλης της ύλης και της ενέργειας, ενώ η κβαντική θεωρία μας λέει ότι στην πραγματικότητα είναι μια αναβράζουσα μάζα κβαντικών σωματιδίων που συνεχώς εμφανίζονται και εξαφανίζονται από τον αισθητό κόσμο μας. Αυτό δίνει στο κενό μια πραγματική μεγάλη ενεργειακή πυκνότητα. 

Η ερευνητική ομάδα που εκτελεί αυτήν την εργασία έχει λάβει μια επιχορήγηση 800,000€ από το ευρωπαϊκό πλαίσιο 6 NEST (New and Emerging Science and Technology) για να τεθεί επικεφαλής μιας κοινοπραξίας από τρεις χώρες (Βρετανία, Γαλλία και Σουηδία).

Το πρόγραμμα, που τιτλοφορείται Nanocase, θα χρησιμοποιήσει το Μικροσκόπιο Ατομικής Δύναμης σε υπερβολικά υψηλό κενό,  που εγκαταστάθηκε στο τμήμα φυσικής και αστρονομίας για να κάνει μετρήσεις της δύναμης Casimir με πολύ υψηλή ακρίβεια, στις μη απλές κοιλότητες και ταυτόχρονα να αξιολογήσει τη χρησιμότητα της δύναμης αυτής για την ανέπαφη μετάδοση της στις νανομηχανές.

Ο Chris Binns, καθηγητής νανοεπιστημών στο πανεπιστήμιο του Λέιτσεστερ εξήγησε: "Η έρευνα θα βοηθήσει να υπερνικηθεί ένα θεμελιώδες πρόβλημα όλων των νανο-μηχανών, δηλαδή μηχανές που τα επιμέρους συστατικά της είναι στο μέγεθος των μορίων, και που σε αυτό το μέγεθος όλα τα συστατικά είναι 'κολλώδη' ενώ οποιαδήποτε συστατικά έρχονται σε επαφή κολλούν μαζί. Εάν μπορεί να βρεθεί λοιπόν μια μέθοδος για να διαβιβαστεί μια δύναμη χωρίς να έρχονται σε επαφή τα συστατικά μέρη, χωριζόμενα από ένα μικρό χάσμα, τότε μπορεί να είναι δυνατό να κατασκευαστούν νανο-μηχανές που να λειτουργούν ελεύθερα χωρίς να κολλούν.

"Τέτοιες μηχανές είναι η ουσία της επιστημονικής φαντασίας αυτή τη στιγμή. Όμως στο πολύ μακρινό μέλλον οι πιθανές χρήσεις τους περιλαμβάνουν την δυνατότητα να επανοικοδομηθούν κατεστραμμένα ανθρώπινα κύτταρα στο μοριακό επίπεδο.

"Από μία άποψη η πραγματική τιμή της ενέργειας στο σημείο μηδέν δεν είναι σημαντική επειδή οτιδήποτε ξέρουμε σχετικά είναι πάνω από αυτήν. Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία πεδίου κάθε σωματίδιο είναι μια διέγερση (ένα κύμα) ενός θεμελιώδους (υποκείμενου) πεδίου (παραδείγματος χάριν το ηλεκτρομαγνητικού πεδίου) στο κενό και μόνο την ενέργεια του ίδιου του κύματος μπορούμε να ανιχνεύσουμε.

"Μια χρήσιμη αναλογία γι αυτό είναι να θεωρήσουμε τον αισθητό κόσμο μας ως μια μάζα κυμάτων πάνω από έναν ωκεανό, που το βάθος είναι ασήμαντο. Οι αισθήσεις μας και όλα τα όργανά μας μπορούν μόνο να ανιχνεύσουν άμεσα τα κύματα, έτσι φαίνεται ότι προσπαθώντας να εξετάσουμε οτιδήποτε βρίσκεται από κάτω, το ίδιο δηλαδή το κενό, είναι μάταιο. Δεν είναι όμως εντελώς έτσι. Υπάρχουν λεπτά αποτελέσματα της ενέργειας στο σημείο μηδέν που οδηγούν σε ανιχνεύσιμα φαινόμενα στον αισθητό κόσμο μας.

"Ένα παράδειγμα είναι η δύναμη, όπως προβλέφθηκε από τον Hendrik Casimir, η οποία προκύπτει από την ενέργεια του σημείου μηδέν. Εάν τοποθετήσετε δύο κάτοπτρα απέναντι το ένα του άλλου στο κενό χώρο, τότε αυτά παράγουν μια διαταραχή στις κβαντικές διακυμάνσεις του κενού, που οδηγεί σε μια πίεση η οποία ωθεί τα κάτοπτρα ώστε να πλησιάσουν.

"Η ανίχνευση της δύναμης Casimir εντούτοις δεν είναι εύκολη καθώς γίνεται σημαντική μόνο εάν τα κάτοπτρα πλησιάζουν σε απόσταση λιγότερη από 1 μικρόμετρο (περίπου το ένα πεντηκοστό του πλάτους μιας ανθρώπινης τρίχας). Η παραγωγή αρκετά παράλληλων επιφανειών με την ακρίβεια που απαιτείται, έπρεπε να περιμένει την εμφάνιση κατάλληλων εργαλείων της νανοτεχνολογίας για να κάνει ακριβείς μετρήσεις αυτής της δύναμης".

Η νέα λοιπόν διάταξη στο πανεπιστήμιο του Λέιτσεστερ θα επιτρέψει στους ερευνητές να επεκτείνουν τις μετρήσεις τους σε ακόμα πιο σύνθετες μορφές και, για πρώτη φορά, να ψάξουν για έναν τρόπο να αντιστραφεί η δύναμη Casimir.

Αυτή θα ήταν μια ανακάλυψη πολύ σημαντική δεδομένου ότι η δύναμη Casimir είναι μια θεμελιώδης ιδιότητα του κενού και αντιστρέφοντας την είναι συγγενής με την ιδέα της αντιστροφής της βαρύτητας. Τεχνολογικά αυτό θα είχε εφαρμογές μόνο στις πολύ μικρές αποστάσεις αλλά θα έφερνε επανάσταση στα σχέδια των μικροϋπολογιστών - και των νανο-μηχανών.

---

Ανάμεσα στις παράλληλες μεταλλικές πλάκες ασκείται μια ελκτική δύναμη. Η πεπερασμένη απόσταση μεταξύ των πλακών εμποδίζει την υλοποίηση 'εν 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 μάλιστα εξαρτάται από το σχήμα των πλακών.

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.

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 (virtual) 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.