| ||||
science-freaks.livejournal.com
Вы, наверное, слышали о так называемом эффекте Казимира в научно-фантастическом фильме, но было ли вам известно, что энергию пустого пространства можно в теории использовать для исследования Вселенной? Эффект Казимира описывает, что в пустом пространстве есть энергия, которая может воздействовать на физические объекты. Ученые разрабатывают способы применения этой концепции в самых разных областях, от освоения космоса до нанотехнологий. Правильно используемое «пустое пространство» Вселенной может быть использовано для ускорения космических кораблей в регионы, в настоящее время неизведанные человеком.
Эффект Казимира пытается объяснить, почему «пустое пространство», или «вакуум», обладает энергией, силой, которая может оказывать влияние на реальные объекты. Он появляется из двух незаряженных пластин с вакуумом между ними (также известным как основное состояние квантованного электромагнитного поля). Пластины должны находиться очень близко друг к другу, чтобы проявились эффекты (на дистанции в нанометры, в толщину цепи ДНК). Пары виртуальных частиц (материи и антиматерии) то и дело возникают, вырабатывая фотоны в вакууме, которые оказывают воздействие на пластины как изнутри, так и по другую сторону пластин. Тем не менее, если пространство между пластинами станет достаточно малым, фотоны с длиной волны большей, чем пространство между пластинами, перестанут в него вписываться, вызвав дисбаланс сил по ту и другую сторону пластин. Пластины начнут притягиваться под воздействием внешних фотонов. Чем ближе пластины, тем сильнее силы. Чтобы это стало возможным, эффект Казимира предполагает, что должен соблюдаться принцип неопределенности Гейзенберга (вы можете измерить энергию или момент во времени объекта, но не одновременно).
Одним из конкретных применений эффекта Казимира является так называемый динамический эффект Казимира. Одна из пластин движется назад и вперед, а другая удерживается в неподвижном состоянии. Это позволяет собрать больше энергии и направить ее, например, на движение космического корабля.
Сам эффект Казимира был предложен в 1948 году физиком Хендриком Казимиром. Годом ранее Казимир вместе с физиком Дирком Полдером в научно-исследовательской лаборатории Philips выдвинули идею о том, что между проводящей пластиной и атомом, а также между двумя атомами существует некая сила. Атомы должны быть поляризованы, чтобы проявлялся этот эффект — то есть разделять или накапливать положительные и отрицательные электрические заряды в двух разных областях. Эти идеи появились у физиков после бесед с Нильсом Бором, который предположил, что, находясь в самой низкой энергетической точке, система должна что-то делать с этой силой.
С тех пор эффект Казимира изучался многими. За долгие годы было проведено множество экспериментов, в том числе и эти:
За многие годы стало очевидно, что использование двух параллельных пластин для обнаружения этой силы требует невероятной точности, когда дело доходит до выравнивания. Одна из пластин была замещена сферической пластиной с очень большим радиусом.
Динамический эффект Казимира потребовал больше времени для проверки. Он был предсказан в 1970-х годах и экспериментально подтвержден в мае 2011 года учеными из Технологического университета Чалмерса в Гетеборге, Швеция. Ученые генерировали микроволновые фотоны в вакууме сверхпроводящего микроволнового резонатора. Для достижения эффекта движущейся пластины ученые использовали модифицированный SQUID (сверхпроводящее устройство квантовой интерференции), чтобы регулировать дистанцию между пластинами. Результаты до сих пор находятся на рассмотрении научной экспертизы, но если они подтвердятся, это будет первое экспериментальное подтверждение динамического эффекта Казимира.
Как же от силы, сдвигающей нанопластинки, перейти к космическим путешествиям на околосветовых скоростях? Динамический эффект Казимира можно использовать, чтобы создать двигатель для космического корабля, получая энергию прямо из вакуума. Хотя эта идея весьма амбициозная, один молодой египтянин уже ее запатентовал.
Другая теория, которая вытекает из эффекта Казимира, заключается в том, что червоточину можно стабилизировать вследствие нехватки массы между двумя пластинами. В теории это может привести к путешествиям быстрее света, хотя это спекулятивно и вообще теория.
К счастью, проводятся новые эксперименты, технологии улучшаются, и вполне может так статься, что использование эффекта Казимира на практике не за горами. В частности, он может пригодиться в нанотехнологиях — в кремниевой схемотехнике и осцилляторах Казимира.
hi-news.ru
Кремниевый чип использует энергию, предсказанную 70 лет назад голландским физиком Хендриком Казимиром, возникающую благодаря квантовым эффектам.
Группа американских и китайских ученых доказала существование сил Казимира — крошечных объемов энергии, возникающих при сближении объектов на квантовом уровне.
Эта энергия, предсказанная 70 лет назад голландским физиком Хендриком Казимиром, возникает благодаря квантовым эффектам. Предполагалось, что ее можно наблюдать, поместив две пластины с противоположным электрическим зарядом в вакуум. При сближении они начнут отталкивать друг друга. Однако, до сих пор использовать силы Казимира для чего-либо полезного казалось невозможным. Да и само их существование экспериментально доказано не было. Новый кремниевый чип, созданный учеными Принстона и Университета науки и техники Гонконга, позволяет изменить эту ситуацию.
«Это одно из первых экспериментальных подтверждений эффекта Казимира на кремниевом чипе, — говорит Алехандро Родригес, автор теоретических вычислений, на основании которых китайские коллеги создали образец устройства. — И оно также позволяет делать измерения сил в весьма необычных структурах наподобие тех, которые вызывают отталкивание».
Кремниевый чип состоит из двух пластин с зубчатыми сторонами, обращенными друг к другу и расположенными на расстоянии 100 нанометров друг от друга. Если их сблизить, начинают действовать силы Казимира, которые отталкивают пластины. Этот эффект происходит без воздействия энергии в вакууме и является проявлением «нулевых колебаний». По сути речь идет о нарушении основополагающего в физике закона сохранения энергии.
Не так давно считалось, что силы Казимира в принципе не могут существовать, потому что они предполагают наличие своего рода «вечного двигателя», нарушающего законы физики. Однако, как доказали американские и китайские ученые, на квантовом уровне такое «вечное» взаимодействие возможно. После их теоретических и экспериментальных изысканий наличие сил, возникающих из квантовых колебаний атомов в зазоре, окончательно подтверждено.
«Наша работа показывает, что возможно контролировать силу Казимира с помощью сложных, специально для этого предназначенных структур», — говорит старший автор статьи Хо Бунь Чань. Выгнутая, Т-образная форма зубцов позволяет формироваться силам отталкивания, которые рассчитали ученые из группы Родригеса. В дальнейшем исследователи планируют изучить свойства других форм, которые могут еще больше увеличить силы Казимира.
Вещество, которое ведет себя так, будто обладает отрицательной массой, создали ученые Университета штата Вашингтон. Если приложить к нему силу, то оно начнет двигаться не в направлении действия силы, а в обратном. Этот феномен возможно продемонстрировать только в лабораторных условиях. Еще одно «несоблюдение» законов физики открыли ученые МФТИ и РАН, которые обнаружили условия, при которых второй закон термодинамики может локально нарушаться. опубликовано econet.ru
P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet
econet.ru
|
physicists.livejournal.com
Как доказали эксперименты последних лет, в физическом вакууме постоянно происходят энергетические колебания из-за рождения и аннигиляции частиц. Многие необычные физические явления, которые вроде бы противоречат закону сохранения энергии, являются доказательством этого непрерывного энергетического бурления в планковском масштабе. Например, поляризация вакуума, эффект Казимира или излучение Хокинга.
На протяжении многих лет учёные не могли достоверно измерить эффект Казимира, предсказанный голландским физиком Хендриком Казимиром в 1946 году. Эффект притяжения друг к другу незаряженных тел под воздействием вакуумной энергии проявляется на расстоянии в несколько микрон. Сила Казимира (Fc) для двух параллельных пластин площадью A обратно пропорциональна 4-й степени расстояния между ними, так что измерить её довольно трудно.
Эксперименты 1990-2000-х позволили измерить силу Казимира с точностью более 99%. Группа исследователей из Флоридского университета сделала ещё один шаг в этом направлении. Они сконструировали первую микросхему для измерения силы Казимира между электродом и кремниевой пластиной толщиной 1,42 нм при комнатной температуре. Устройство работает в автоматическом режиме и снабжено актуатором, который регулирует расстояние между пластинами от 1,92 нм до 260 нм, соблюдая параллельность. Результаты измерений довольно точно совпадают с теоретически рассчитанными значениями.
Данный эксперимент доказывает, что на малых расстояниях сила Казимира может быть основной силой взаимодействия между предметами. Вполне возможно, что её можно использовать в практических целях, при создании MEMS-конструкций. Например, методом литографии можно печатать заготовки, которые будут под воздействием силы Казимира самостоятельно складываться в сложную геометрическую форму, заранее рассчитанную на компьютере.
via Technology Review
habr.com
В конце мая прошлого года многие популярные газеты пестрели заголовками: «Ученые получили энергию из вакуума!». Владельцы вакуумных насосов радостно потирали руки и в мечтах уже видели себя новыми олигархами. Однако даровой энергии из вакуума на рынке пока не появилось.
В 1948 году голландские физики-теоретики Хендрик Казимир и Дирк Полдер в поисках объяснения свойств коллоидных пленок рассмотрели взаимодействие молекул, поляризующих друг друга электромагнитными силами. Оказалось, что сила притяжения поляризуемой молекулы к металлической пластинке обратно пропорциональна четвертой степени расстояния между ними.
Но этим дело не закончилось. Казимир обсуждал свои выводы с Нильсом Бором, и тот заметил, что притяжение можно объяснить и совершенно иначе. Тогда уже было доказано, что виртуальные частицы физического вакуума влияют на энергетические уровни внутриатомных электронов (лэмбовский сдвиг). По мнению Бора, вычисленный Казимиром эффект мог иметь точно такую же природу. Казимир произвел соответствующие расчеты и получил ту же самую формулу.
В том же году Казимир предложил простой и наглядный пример силового воздействия вакуума. Представим себе две плоские проводящие пластины, расположенные параллельно. Плотность виртуальных фотонов между ними будет меньшей, нежели снаружи, поскольку там смогут возбуждаться лишь стоячие электромагнитные волны строго определенных резонансных частот. В результате в пространстве между пластинами давление фотонного газа окажется меньше давления извне, из-за чего они будут притягиваться друг к другу, причем опять-таки с силой, обратно пропорциональной четвертой степени ширины щели (при сближении пластин набор допустимых частот стоячих волн сокращается, так что различие плотности «внутренних» и «внешних» фотонов возрастает). Реально такое притяжение становится заметным на расстоянии нескольких микрометров. Это явление и получило название эффекта Казимира.
Движущиеся зеркала
В 1970 году физик из американского Университета Брандейса Джеральд Мур опубликовал статью, где теоретически рассмотрел поведение вакуума в полости, ограниченной двумя сближающимися или расходящимися плоскопараллельными зеркалами. Он показал, что такие зеркала могут усилить вакуумные флуктуации… и заставить их породить реальные фотоны. Однако, согласно расчетам Мура, для генерации фотонов в сколь-нибудь заметных количествах зеркала должны иметь релятивистскую скорость. В конце 1980-х проблема «раскачки» вакуумных флуктуаций заинтересовала многих ученых. Ее теоретический анализ показал, что вакуум способен рождать реальные фотоны не только около материальных тел, обладающих субсветовой скоростью, но и вблизи материалов, быстро изменяющих свои электрические или магнитные свойства. Такое превращение виртуальных вакуумных флуктуаций в реальные кванты назвали динамическим, или нестационарным, эффектом Казимира.
До недавнего времени эти исследования ограничивались чистой теорией. Прямое воспроизведение схемы Мура, разумеется, не под силу современным технологиям, которые не умеют разгонять зеркала из любых материалов до субсветовых скоростей. В научной литературе неоднократно обсуждались более практичные устройства для наблюдения динамического эффекта Казимира — например, пьезоэлектрические вибраторы и высокочастотные электромагнитные резонаторы. В последние годы физики, работающие в этой области, утвердились во мнении, что эти эксперименты вполне осуществимы.
Проверка на практике
Первыми успеха добились Кристофер Уилсон и его коллеги по Технологическому университету Чалмерса в шведском городе Гетеборге вместе с коллегами из Австралии и Японии. «Овеществление» виртуальных фотонов происходило около волновода из алюминия, подключенного к сверхпроводящему квантовому интерферометру (два джозефсоновских туннельных перехода, параллельно соединенных в замкнутый контур). Экспериментаторы изменяли индуктивность этого контура, пропуская через него магнитный поток, осциллирующий с частотой порядка 11 ГГц. Колебания индуктивности сказывались на электрической длине волновода, которая осциллировала с вполне релятивистской скоростью (около четверти скорости распространения электромагнитных волн в волноводе, которая примерно равнялась 40% скорости света в вакууме). Волновод, как и ожидалось, излучал фотоны, извлеченные из вакуумных флуктуаций. Спектр этого излучения соответствовал теоретическим предсказаниям.
Однако использовать эту установку для получения энергии из вакуума невозможно: энергия полученного излучения неизмеримо слабее мощности, которую приходится закачивать в прибор. Это же справедливо и для прочих устройств, которыми можно воспользоваться для наблюдения динамического эффекта Казимира. В общем, вакуум — это вовсе не нефтеносный слой.
Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№2, Февраль 2012).www.popmech.ru
Эффект Казимира может достигать существенных величин, но только на дистанциях меньше сотни нанометров. Поэтому не смотря на то, что теоретически этот эффект был предсказан Хендриком Казимиром ещё в 1948 году, экспериментальное подтверждение его появилось только в 1997 году (спустя 49 лет). Подтверждения же открытого Евгением Лифшицем в 1956 году эффекта отталкивания и вовсе пришлось ждать 53 года – оно было подтверждено только в 2009 году.
Эффект Казимира (притяжение)
Существовавший в классической механике «пустой» вакуум на поверку оказался не столь пустым: при изучении эффектов квантовой механики оказалось, что он заполнен парами виртуальных частиц, которые непрерывно образуются и аннигилируют между собой. При этом если поместить на очень близком расстоянии две параллельные пластины из проводников электрического тока, то образующиеся при этом частицы будут гаситься из-за эффекта интерференции волн. Чем ближе будут расположены пластины – тем меньше будет оставаться виртуальных частиц между ними, при этом во внешней среде их число будет оставаться прежним (как и производимое ими давление) что будет создавать всё большую силу, направленную на притяжение пластин.
Аналог этого явления, основанный на интерференции волн в водной среде
На расстоянии 10 нанометров между пластинами эта сила может создавать давление близкое к атмосферному, но так как его сила падает в 4 степени от дистанции – его величина на дистанции уже в 100 нанометров становится трудно регистрируемой. Этот эффект предложен для использования в различных наномеханических системах и даже в качестве замены экзотической материи для двигателя Алькубьерре и стабилизации червоточин.
Эффект Казимира-Лифшица (отталкивания)
В 1956 году Евгений Лифшиц показал, что если заполнить промежуток между двумя поверхностями диэлектрическим материалом, то это явление может поменять свой знак. Первый эксперимент подтверждающей этот эффект заключался в прижатии позолоченного шарика диаметром всего в 40 мкм к золотой плёнке и кремниевой пластине (для измерения эффекта притяжения и отталкивания соответственно) размещённых в жидкой среде – бромбензоле. Авторы этой работы, опубликованной в Nature в 2009 году, указывают на то что смешение двух или более жидкостей может позволить добиться отталкивания при малых дистанциях и притяжение при больших, что позволит в свою очередь создать механизмы с очень низким коэффициентом трения.
Результаты эксперимента: синей линией показаны результаты для силы отталкивания, жёлтым — для силы притяжения. Уже на дистанции в 80 нм измеряемые силы становятся сравнимы с погрешностями измерений.
Эксперимент по измерению сил отталкивания и притяжения
Это явление заключается в том, что если зеркало движется с релятивистской скоростью, то часть из виртуальных пар частиц не успевает проаннигилировать и разделяется, превращаясь тем самым в реальные фотоны. Существование такого эффекта было предсказано в середине 70-х Джулианом Швингером и подтверждено учёными в 2011 году. Для проведения эксперимента они использовали сверхпроводящий квантовый интерферометр, который мог имитировать электромагнитное зеркало, движущееся со скоростью в 5% от скорости света. Это явление не нарушает закона сохранения энергии (как могло бы показаться), так как на приведение в движение зеркала расходуется энергия. На данный момент оно рассматривается только как гипотетическая двигательная установка на подобие проходящего сейчас испытания сразу в нескольких местах EmDrive.
Это теоретически предсказанное в 1993 году физическое явление, которое заключается в том, что свет двигающийся между пластинками Казимира должен оказываться в среде с «отрицательной плотностью» и двигаться тем самым быстрее скорости света в обычном вакууме. Эффект невероятно сложен для измерения: свет, двигающийся между пластинками, разнесёнными всего на микрон будет ускоряться всего на 10-36 долю от своей обычной скорости. Сложность его измерения привела к тому что на данный момент даже не проводилось попыток его подтверждения/опровержения. Если этот эффект всё-таки подтвердится, он может быть использован в таких экзотических применениях как линзы для гамма-излучения и оптические кабели на основе углеродных нанотрубок со «сверхсветовой» скоростью связи.
comments powered by HyperComments
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!
Просмотров записи: 1089
Запись опубликована: 06.11.2017Автор: Денис Нырков
spacegid.com
