Το φαινόμενο Casimir ξανά στο προσκήνιο

Πηγή: Physical Review letters, 10 Φεβρουαρίου 2007

Το φαινόμενο Casimir ή πιο σωστά Casimir-Polder από το 1948 που ανακαλύφθηκε, δεν έπαψε ποτέ να συγκινεί τους φυσικούς. Ίσως γιατί είναι από τα λίγα εργαστηριακά πειράματα που μπορούν να εκτελεστούν πάνω στον πάγκο του εργαστηρίου και να ανιχνεύσουν εξωτικές δυνάμεις που είναι πέραν των όσων προβλέπονται από τη Νευτώνεια βαρύτητα και τις  θεμελιώδεις δυνάμεις του καθιερωμένου μοντέλου των στοιχειωδών σωματιδίων. Τώρα αποδεικνύεται ότι επηρεάζεται και από τη θερμοκρασία.

Η δύναμη Casimir προέρχεται από τις κβαντικές ιδιότητες του κενού, του άδειου χώρου. Σύμφωνα με την κβαντομηχανική, μέσα στο κενό η μέση τιμή του ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου είναι μηδέν. Αυτό όμως δεν εμποδίζει την ύπαρξη διακυμάνσεων των δύο πεδίων. Τις διακυμάνσεις αυτές μπορούμε να τις φανταστούμε σαν γέννηση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων μέσα στο κενό από το τίποτα, τα οποία όμως δεν ζουν πολύ αλλά ταχύτατα πάλι καταστρέφονται. Κάτι τέτοιο επιτρέπεται από την αρχή της απροσδιοριστίας. Για να γεννηθούν τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα δανείζονται ενέργεια ΔΕ από το κενό αλλά δεσμεύονται να την επισστρέψουν μέσα σε χρονικό διάστημα Δt (οπότε και καταστρέφονται), έτσι ώστε να ικανοποιείται η σχέση ΔΕ . Δt ≥ h όπου h η σταθερά του Planck.

Μέσα στο κενό λοιπόν ζουν και πεθαίνουν σύντομα αναρίθμητα ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Το κενό δεν είναι συνεπώς καθόλου κενό, αλλά σφύζει από ζωή. Πλήθος από ηλεκτρομαγνητικά κύματα όλων των συχνοτήτων το κατοικούν.

Η ύπαρξη τώρα κάποιων υλικών επιφανειών π.χ. υπό μορφή πλακών τροποποιεί αυτά τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία, επιβάλλοντας κάποιους περιορισμούς στις συχνότητες των κυμάτων που μπορούν να ζήσουν στο χώρο μεταξύ δύο τέτοιων πλακών.

Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την ανισορροπία των δυνάμεων που ασκούνται στις δύο πλάκες από τα πεδία που βρίσκονται στο χώρο ανάμεσά τους και από τα πεδία που βρίσκονται στο χώρο έξω από τις πλάκες. Κι αυτό με τη σειρά του οδηγεί σε μια ελκτική δύναμη μεταξύ των πλακών, μια δύναμη κυριολεκτικά προερχόμενη από το κενό.

Τα τελευταία χρόνια μάθαμε ότι δεν είναι απαραίτητο να μιλάμε μόνο για δυνάμεις μεταξύ πλακών. Αν κοντά σε μια τέτοια πλάκα βρίσκονται κάποια άτομα τότε και πάλι θα εμφανιστεί ελκτική δύναμη μεταξύ της πλάκας και των ατόμων.

Η εξήγηση για τη δύναμη αυτή είναι λίγο πιο εκλεπτυσμένη.

Τα ηλεκτρικά πεδία των διακυμάνσεων παραμορφώνουν ελαφρά την κατανομή φορτίου εντός των ατόμων. Τέτοια πολωμένα άτομα μπορούν να δεχτούν δύναμη από τα ηλεκτρικά πεδία που τα περιβάλλουν.

Ο Νομπελίστας φυσικός του 2001 Eric Cornell, που βραβεύτηκε για τη δουλειά του στα συμπυκνώματα Bose-Einstein, χρησιμοποίησε ένα σύννεφο από 250.000  χιλιάδες περίπου υπέρψυχρα άτομα ρουβιδίου τα οποία βρίσκονταν σε κατάσταση συμπυκνώματος Bose-Einstein (BEC), και τα έφερε σε απόσταση μόλις λίγων μικρομέτρων από μια γυάλινη πλάκα. Στην κατάσταση αυτή το σύννεφο ατόμων συμπεριφέρεται σαν ένα γιγαντιαίο υπέράτομο που βρίσκεται σε μια ενιαία κβαντική κατάσταση. Ο Cornell έθεσε σε ταλάντωση όλο μαζί το συμπύκνωμα, πετυχαίνοντας με τον τρόπο αυτό να έχει ένα κβαντικό ταλαντωτή με σχεδόν μακροσκοπική μάζα.

Οι διακυμάνσεις του κενού πόλωναν ηλεκτρικά τα άτομα και η ύπαρξη της πλάκας με βάση το φαινόμενο Casimir-Polder ενίσχυε τα ηλεκτρικά πεδία κοντά στην πλάκα. Όλο αυτό είχα σαν αποτέλεσμα να ασκηθούν ελκτικές δυνάμεις στα άτομα του BEC από την πλάκα. Τις δυνάμεις αυτές αν και πάρα πολύ ασθενικές, μπόρεσε η ομάδα του Cornell να μετρήσει καθώς στη φυσική η δύναμη σ' ένα ταλαντωτή επηρεάζει τη συχνότητα ταλάντωσής του. Μετρώντας λοιπόν τη συχνότητα ταλάντωσης όλου μαζί του συμπυκνώματος, μετρούσε και τη δύναμη Casimir-Polder μεταξύ της πλάκας και των ατόμων.

Η συσκευή που χρησιμοποίησε η ομάδα του Eric Cornell.
Μικρές γυάλινες πλάκες βρίσκονται μέσα σε θάλαμο κενού.

Και η θερμοκρασία πως ανακατεύεται σ' αυτή την ιστορία;

Μ' ένα λέϊζερ θέρμανε την πλάκα σε θερμοκρασία περίπου 330 βαθμούς Κελσίου ενώ το περιβάλλον της εξακολουθούσε να βρίσκεται σε θερμοκρασία δωματίου και το συμπύκνωμα ατόμων σε εξαιρετικά χαμηλή θερμοκρασία.

Αυτό σήμαινε ότι τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα της θερμικής ακτινοβολίας της πλάκας κυρίως ανακλώνταν στην επιφάνειά της και περιορίζονταν στο εσωτερικό της. ένα μικρό ποσοστό όμως της ηλεκτρομαγνητικής αυτής ακτινοβολίας της πλάκας εγκαταλείπει το όριο της επιφάνειάς της και ξεγλιστρά προς τα έξω ενισχύοντας το ηλεκτρικό πεδίο των διακυμάνσεων του κενού που ήδη υπάρχει κοντά στην πλάκα.

Η μεταβολή λοιπόν στη δύναμη που δέχεται το BEC ανιχνεύεται από τον πειραματικό ως μεταβολή στη συχνότητα ταλάντωσης του σύννεφου των ατόμων BEC.

Μάλιστα, ένας διπλασιασμός της θερμοκρασίας της πλάκας είχε ως αποτέλεσμα τον τριπλασιασμό της δύναμης Casimir-Polder.

Όλα αυτά τα είχε προβλέψει θεωρητικά από το 1955 ο Ρώσος φυσικός Evgeni Lifschitz, αλλά το σημερινό ενδιαφέρον για το φαινόμενο αναζωπυρώθηκε γιατί έχουμε φτάσει πια σε κατασκευές νανοκλίμακας και οι δυνάμεις Casimir αρχίζουν να επηρεάζουν τις νανομηχανές μας και τα μικροηλεκτρομηχανικά συστήματά μας. Τείνοντας η δύναμη Casimir-Polder να φέρει κοντά μέρη τέτοιων κατασκευών λειτουργεί σαν ένα είδος συνδέσμου μεταξύ των μερών, σαν ένα είδος δηλαδή πρόσθετης τριβής.