Posts Tagged energija

Casimirjeva sila

“Energija vakuuma je najlepša stvar, ki se mi je zgodila v življenju.”

– Ambrož Kregar

 ena lepa slikca za začetek

Casimirjeva sila je zanimiv fizikalni pojav, ki je posledica kvantih fluktuacij elektromagnetnega polja v vakuumu, na kratko imenovanih energija vakuuma ali energija ničelne točke (zero-point energy), kadar so le-te omejene na končno območje z določenimi robnimi pogoji.

V tej seminarski nalogi bom na kratko predstavil osnove kvantne teorije polja, ki so potrebne za konceptualno razumevanje izvora Casimirjeve sile. Razložil bom izračune in postopke, ki jih je uporabil nizozemski fizik Casimir (več o njem kasneje) za izračun sile med prevodnima ploščama, ter preletel rezultate izračunov za silo med dielektriki.

Ogledali si bomo tudi zgodovino in postopke merjenja Casimirjeve sile. Eksperimentalna potrditev tega pojava še zdaleč ni trivialna, saj je sila opazna šele na zelo majhnih razdaljah, njena velikost pa je tudi tedaj relativno majhna. Poleg tega je treba pri interpretaciji podatkov paziti na razne moteče elemente pri meritvi, ki nikakor niso zanemarljivi. Zanimiva in omembe vredna so tudi nekatera druga področja, na katerih se fiziki trudijo razložiti še nepojasnjene fenomene s pomočjo energije vakuuma.

Opisal bom tudi nekaj tehničnih področij, kjer v prihodnjih letih pričakujemo praktično uporabo Casimirjeve sile, par besed pa bom napisal tudi o bolj eksotičnih teorijah energije vakuuma.

Zgodovina raziskav Casimirjeve sile

Najenostavnejša enačba, ki opisuje termodinamiko plina, je idealna plinska enačba, v kateri so upoštevani le kinetični prispevki k energiji molekul. Eksperimenti so kmalu pokazali, da enačba dobro opiše le zelo razredčene pline, kar je fizika van der Waalsa napeljalo na idejo, da bi v enačbo vključil popravke zaradi končne velikosti molekul plina ter šibke interakcije med njimi. Nova enačba se je bistveno bolje ujemala z eksperimentalnimi rezultati, vendar dolgo ni bilo jasno, od kod izvirajo privlačne interakcije med nevtralnimi molekulami.

Leta 1930 je London v okviru kvantne mehanike pokazal, da so sile posledica kvantnih fluktuacij naboja na molekulah. Opazovane molekule so sicer v povprečju nevtralne, vendar elektroni zaradi principa nedoločenosti lahko povzročijo na molekuli šibak dipolni moment, ki povzroči privlak z drugimi molekulami.

Nizozemska fizika Hendrik Brugt Gerhard Casimir in Dirk Polder sta leta 1947 začela raziskovati, ali bi kvantne fluktuacije imele lahko opazljiv učinek tudi na drugih področjih kvantne fizike. Namesto s fluktuacijami naboja na molekulah sta se začela ukvarjati s fluktuacijami elektromagnetnega polja, ki jih prav tako predvideva kvantna mehanika. Leta 1948 je Casimir prvi izpeljal izraz za silo med dvema vzporednima idealno prevodnima ploščama.

Hedrik Brugt Gerhard Casimir

Hedrik Brugt Gerhard Casimir se je rodil leta 1909 v kraju ‘s-Gravenhage na Nizozemskem. Študiral je teoretično fiziko na univerzi v Leidenu pod vodstvom Paula Ehrenfesta, kjer je leta 1931 doktoriral na področju kvantne mehanike hitro vrtečega telesa in teorije grup za vrtenje molekul. V tem času je preživel nekaj časa v Kopenhagnu z Nielsom Bohrom, kasneje je delal kot asistent pri Wolfgangu Pauliju v Zürichu, leta 1938 pa je postal profesor fizike na univerzi v Leidenu.

1942. se je zaposlil v Philipsovih raziskovalnih laboratorijih v Eindhovenu, vendar je nadaljeval svoje raziskovalno delo na področju prevajanja toplote in elektrike ter leta 1945 napisal znano delo o Onsagerjevem principu mikroskopske reverzibilnosti.Leta 1946 je postal kodirektor Philipsovih laboratorijev, 1956. pa član nadzornega sveta podjetja. Upokojil se je leta 1972.

Kljub temu, da je večino življenja delal v industriji, je Casimir eden največjih nizozemskih teoretičnih fizikov z odkritji na področju Liejevih grup, hiperfine strukture, nizkotemperaturne fizike, termodinamike superprevodnikov, itd. Pomagal je pri ustanovitvi Evropskega fizikalnega združenja in bil v letih 1972 – 1975 njegov predsednik, leta 1979 pa je bil eden glavnih govornikov na 25. obletnici delovanja CERN-a. Kljub vsem tem izjemnim dosežkom je najbrž še najbolj znan prav po Casimirjevi sili.

Po Casimirju se je z raziskavami energije vakuuma ukvarjalo še mnogo teoretičnih fizikov. Velike zasluge na tem področju gredo ruskemu Evgeniju Lifshitzu, ki je postavil prvo teorijo o Casimirjevi sili med dielektriki. Zaradi premalo natančnih instrumentov so eksperimentalne raziskave Casimirjeve sile dolgo zaostajale za teoretičnimi napovedmi. Prve resne meritve so bile tako opravljene šele v 90. letih 20. stoletja, ujemanje rezultatov s teoretičnimi napovedmi pa je tako dobro, da o obstoju opazljivih učinkov energije vakuuma ni mogoče več dvomiti.

Read the rest of this entry »

, , , , ,

1 Comment