Efectul Casimir

Ilustrarea efectului Casimir între două plăci paralele

În fizică, efectul Casimir constă în forța de atracție care se exercită între două corpuri extinse situate în vid , de exemplu două plăci paralele, datorită prezenței câmpului cuantic de punct zero .

Acest câmp provine din energia vidului determinată de particulele virtuale care sunt create continuu datorită efectului fluctuațiilor cuantice , conform principiului incertitudinii Heisenberg .

Fenomenul își ia numele de la fizicianul olandez Hendrik Casimir , care, în cursul cercetărilor sale privind originea forțelor vâscoase în soluțiile coloidale , l-a teoretizat în 1948 pe baza unor considerații ale mecanicii cuantice .

Bazele teoretice

În formularea originală, Casimir a calculat efectul pentru două plăci metalice plate paralele, la câțiva microni distanță și între care s-a creat un vid, care nu este supus niciunui câmp electromagnetic. Teoria prezice că numai particulele virtuale a căror lungime de undă este un submultiplu întreg al distanței dintre plăci contribuie la energia de vid dintre ele. Deoarece între plăci pot exista doar anumite particule, interacțiunea cu pereții aparatului determină o împingere mai mică decât cea generată de particulele libere care se află în exterior. Rezultatul este o forță netă care tinde să împingă plăcile una împotriva celeilalte și care poate fi măsurată.

Formularea matematică

Puterea lui Casimir pe unitate de suprafață ( $F_{c}/A$ ${\ displaystyle F_ {c} / A}$ $F_ {c} / A$ ), în cazul ideal al plăcilor metalice perfect conductive între care s-a creat un vid, se calculează ca:

{F_{c} \over A}=-{\frac {d}{da}}{\frac {\langle E\rangle }{A}}=-{\frac {\hbar c\pi ^{2}}{240a^{4}}}=-{\frac {hc\pi }{480a^{4}}}

{\ displaystyle {F_ {c} \ over A} = - {\ frac {d} {da}} {\ frac {\ langle E \ rangle} {A}} = - {\ frac {\ hbar c \ pi ^ {2}} {240a ^ {4}}} = - {\ frac {hc \ pi} {480a ^ {4}}}}

{F_ {c} \ over A} = - {\ frac {d} {da}} {\ frac {\ langle E \ rangle} {A}} = - {\ frac {\ hbar c \ pi ^ {2} } {240a ^ {4}}} = - {\ frac {hc \ pi} {480a ^ {4}}}

unde este:

\hbar ={\frac {h}{2\pi }}

{\ displaystyle \ hbar = {\ frac {h} {2 \ pi}}}

\ hbar = {\ frac {h} {2 \ pi}}

este constanta redusă a lui Planck ,

\langle E\rangle

{\ displaystyle \ langle E \ rangle}

{\ displaystyle \ langle E \ rangle}

este valoarea de așteptare a vidului energiei câmpului electromagnetic din cavitate,

h

{\ displaystyle h}

h

este constanta lui Planck ,

c

{\ displaystyle c}

c

este viteza luminii ,

la

{\ displaystyle a}

la

este distanța dintre cele două plăci,

LA

{\ displaystyle A}

LA

este aria plăcilor.

Valoarea forței este negativă și indică faptul că natura sa este atractivă: de fapt densitatea energiei scade odată cu apropierea plăcilor.

De exemplu, în cazul plăcilor plasate la o distanță de 1 micron (µm), forța rezultată pe unitate de suprafață este 0,0013 N / m² . Prezenta lui $\hbar$ ${\ displaystyle \ hbar}$ $\ hbar$ arată cât de mic este $F_{c}/A$ ${\ displaystyle F_ {c} / A}$ $F_ {c} / A$ și mărturisește originea mecanică cuantică a forței.

Verificare experimentală

Una dintre primele teste a fost cea efectuată în 1958 la Laboratorul Philips Natuurkundig de la Philips din Eindhoven de către Marcus Sparnaay, care a încercat să măsoare atracția dintre două plăci paralele. Rezultatele obținute, deși afectate de erori experimentale consistente, nu contrazic teoria lui Casimir. ^[1] ^[2]

Efectul Casimir a fost demonstrat experimental în 1997 de Steven Lamoreaux care, la Universitatea din Washington din Seattle , a măsurat forța de atracție între o sferă și o placă separată de distanțe între 0,6 µm și 6 µm. ^[3] În același an, pe baza succesului obținut de Lamoreaux, Umar Mohideen și Anushree Roy de la Universitatea din California au efectuat un experiment similar pe distanțe între 0,1 și 0,9 µm. ^[4] În loc de două plăci paralele, care au necesitat o aliniere dificilă și extrem de precisă pentru a asigura paralelismul, experimentatorii americani au folosit o placă plată și o placă sferică cu o rază foarte mare.

Prima măsurare cu configurația originală a celor două plăci paralele propuse de Casimir a fost efectuată abia în 2002 de un grup de cercetători de la Universitatea din Padova (Giacomo Bressi, Giovanni Carugno, Roberto Onofrio și Giuseppe Ruoso), care au obținut o aliniere de plăcile cu precizie submicrometrică cu ajutorul microrezonatorilor. ^[5]

Grupul de cercetare al Universității din California condus de Xiang Zhang a arătat că prin exploatarea acestui fenomen cuantic este posibilă transferarea căldurii printr-un spațiu complet gol. ^[6]

Notă

^ (EN) MJ Sparnaay, Forțe atractive între plăcile plate , în natură, vol. 180, n. 4581, 1957-08, pp. 334–335, DOI : 10.1038 / 180334b0 . Adus pe 21 aprilie 2020 .
^ (EN) MJ Sparnaay, Măsurători ale forțelor de atracție între plăcile plate , în Physica, vol. 24, n. 6, 1 ianuarie 1958, pp. 751–764, DOI : 10.1016 / S0031-8914 (58) 80090-7 . Adus pe 21 aprilie 2020 .
^ SK Lamoreaux, Demonstrația forței Casimir în domeniul 0,6 - 6 µm , în Phys. Rev. Lett. , Vol. 78, nr. 5-8, 1997.
^ U. Mohideen și Anushree Roy,Măsurarea de precizie a forței Casimir de la 0,1 la 0,9 µm , în Physical Review Letters , vol. 81, nr. 21, 23 noiembrie 1998, pp. 4549–4552, DOI : 10.1103 / PhysRevLett.81.4549 . Adus pe 21 aprilie 2020 .
^ G. Bressi, G. Carugno, R. Onofrio, G. Ruoso, Măsurarea forței Casimir între suprafețele metalice paralele , în Phys. Rev. Lett. , Vol. 88, nr. 4, Am Phys Soc, 2002, p. 041804, DOI : 10.1103 / PhysRevLett . 88.041804 .
^ KY Fong, H. Li, R. Zhao și colab., Phonon transferul de căldură într-un vid prin fluctuații cuantice , în Nature , n. 576, 2019, pp. 243–247, DOI : 10.1038 / s41586-019-1800-4 .

Bibliografie

( FR ) Bertrand Duplantier, Introduction à l'effet Casimir , séminaire Poincaré (Paris, 9 martie 2002), publicat în: Bertrand Duplantier și Vincent Rivasseau (Eds.); Seminarul Poincaré 2002 , Progresul în fizica matematică 30, Birkhäuser (2003), ISBN 3-7643-0579-7 . ( PDF ) lire en ligne .
( FR ) Roger Balian , Effet Casimir et géométrie , séminaire Poincaré (Paris, 9 martie 2002), publicat în: Bertrand Duplantier și Vincent Rivasseau (Eds.); Seminarul Poincaré 2002 , Progresul în fizica matematică 30, Birkhäuser (2003), ISBN 3-7643-0579-7 . ( PDF ) lire en ligne .
( FR ) Astrid Lambrecht și Serge Reynaud, Experimente recente asupra efectului Casimir: descriere și analiză , séminaire Poincaré (Paris, 9 martie 2002), publicat în: Bertrand Duplantier și Vincent Rivasseau (Eds.); Seminarul Poincaré 2002 , Progresul în fizica matematică 30, Birkhäuser (2003), ISBN 3-7643-0579-7 . ( PDF ) lire en ligne .

Elemente conexe

Alte proiecte

Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre Efectul Casimir

linkuri externe

Efect Casimir în ScienzaPerTutti , pe Scienzapertutti.lnf.infn.it. .
( EN ) Rolul EC în deformarea membranelor în sistemele electronice miniaturale ( PDF ), pe quantumfields.com .

Controlul autorității	LCCN (EN) sh93000202 · GND (DE) 4375133-7

Portalul fizicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu fizica

[1] (EN) MJ Sparnaay, Forțe atractive între plăcile plate , în natură, vol. 180, n. 4581, 1957-08, pp. 334–335, DOI : 10.1038 / 180334b0 . Adus pe 21 aprilie 2020 .

[2] (EN) MJ Sparnaay, Măsurători ale forțelor de atracție între plăcile plate , în Physica, vol. 24, n. 6, 1 ianuarie 1958, pp. 751–764, DOI : 10.1016 / S0031-8914 (58) 80090-7 . Adus pe 21 aprilie 2020 .

[3] SK Lamoreaux, Demonstrația forței Casimir în domeniul 0,6 - 6 µm , în Phys. Rev. Lett. , Vol. 78, nr. 5-8, 1997.

[4] U. Mohideen și Anushree Roy,Măsurarea de precizie a forței Casimir de la 0,1 la 0,9 µm , în Physical Review Letters , vol. 81, nr. 21, 23 noiembrie 1998, pp. 4549–4552, DOI : 10.1103 / PhysRevLett.81.4549 . Adus pe 21 aprilie 2020 .

[5] G. Bressi, G. Carugno, R. Onofrio, G. Ruoso, Măsurarea forței Casimir între suprafețele metalice paralele , în Phys. Rev. Lett. , Vol. 88, nr. 4, Am Phys Soc, 2002, p. 041804, DOI : 10.1103 / PhysRevLett . 88.041804 .

[6] KY Fong, H. Li, R. Zhao și colab., Phonon transferul de căldură într-un vid prin fluctuații cuantice , în Nature , n. 576, 2019, pp. 243–247, DOI : 10.1038 / s41586-019-1800-4 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]