اثر کاسیمیر: تفاوت میان نسخه‌ها
محتوای حذف‌شده محتوای افزوده‌شده
MMA-physics (بحث | مشارکت‌ها) جزبدون خلاصۀ ویرایش |
بدون خلاصۀ ویرایش برچسب: جمع عربی واژگان فارسی |
||
خط ۶:
اگر از منظر [[ذره مجازی|ذرات مجازی]] به اثر کاسیمیر نگاه کنیم درک این اثر راحت تر است. به این ترتیب که [[فوتون]] های مجازی ای که مرتبا در فضای خلا بین صفحات و خارج از آن ها در حال خلقت و نابودی هستند را در نظر بگیرید.زمانی که فاصله بین صفحات زیاد باشد تعداد فوتون های مجازی که با هر دو طرف این صفحات برخورد میکند به طور میانگین برابر است از طرفی چون فوتون ها دارای تکانه هستند به این ترتیب نیروی خالص وارد شده بر دو طرف صفحه یک سان خواهد بود اما اگر دوصفحه را بسیار به هم نزدیک کنیم آن ها انواع فوتون های مجازی که می توانند در فضای بین آن ها ایجاد شوند را محدود خواهند کرد به عبارت دیگر تعداد فوتون مجازی کمتری در فضای بین دو صفحه میتوانند خلق و نابود شوند که در نتیجه آن تعداد فوتون کمتری از داخل با صفحات برخورد میکنند که حاصل آن یک نیروی جذب کننده دو صفحه است.مقدار این نیرو امروزه اندازه گیری شده است.
به این تئوری دیگر پرداخته نشد تا اینکه در سال 1997 كه آزمایش مستقیمی توسط لا مورکس این نیرو را حداقل به میزان 5٪ از ارزش پیش بینی شده توسط تئوری اش اندازه گیری كرد.
اثر کازیمیر را می توان با این ایده فهمید که حضور فلزات رسانا و دی الکتریک می تواند مقدار انتظار خلاء انرژی میدان الکترومغناطیسی اندازه گیری شده دوم را تغییر می دهد. از آنجا که مقدار این انرژی به شکل و موقعیت هادی ها و دی الکتریک بستگی دارد ، اثر کازیمیر خود را به عنوان نیرویی بین چنین اشیاء نشان می دهد.
هرگونه نوسانات پشتیبانی کننده متوسط ، دارای یک اثر مشابه از اثر کازیمیر است. به عنوان مثال ، مهره های روی یک رشته و همچنین صفحات فرو رفته در آب آشفته یا گاز ، نیروی کازیمیر را نشان می دهد.
در فیزیک نظری مدرن ، اثر کازیمیر نقش مهمی در مدل کیسه کایرال هسته دارد. در فیزیک کاربردی از برخی جنبه های میکروتکنولوژی و فناوری های نوظهور قابل توجه است.
== مشخصات فیزیکی ==
نمونه بارز این دو صفحه رسانای غیر قابل شارژ در خلاء است که به فاصله چند[[نانومتر]] از هم قرار داده شده است. در یک توصیف کلاسیک ، فقدان یک میدان خارجی به معنای عدم وجود میدان بین صفحات است و هیچ نیرویی بین آنها اندازه گیری نمی شود.در عوض ، وقتی این قسمت با استفاده از خلاء الکترودینامیکی کوانتومی مورد مطالعه قرار می گیرد ، مشاهده می شود که صفحات روی فوتونهای مجازی که این میدان را تشکیل می دهند تأثیر می گذارد ، و یک نیروی خالص ایجاد می کند یا یک جاذبه یا دافعه بسته به ترتیب خاص از دو صفحه ایجاد می شود.
اگرچه می توان اثر کازیمیر را از نظر ذرات مجازی در تعامل با اشیاء بیان کرد ، اما به بهترین وجه توصیف و آسان تر از نظر انرژی نقطه صفر یک میدان کمّی در فضای مداخل بین اشیاء محاسبه می شود. این نیروی اندازه گیری شده نمونه بارز تأثیرگذاری است که بطور رسمی توسط کمیت دوم ضبط می شود.
برخورداری از شرایط مرزی در این محاسبات موجب بحث و جدال شده است. در واقع ، هدف اصلی کاسیمیر محاسبه نیروی [[وان در والس]] بین مولکول های قابل جابه جایی صفحات رسانا بود. از این جهت این را می توان بدون هیچ اشاره ای به انرژی نقطه صفر (انرژی خلاء) میدان های کوانتومی تفسیر کرد.
از آنجا که قدرت نیرو با زیاد شدن فاصله از بین می رود ، فقط در صورتی اندازه گیری می شود که فاصله بین دو شی بسیار کم باشد. در مقیاس زیر میکرون ، این نیرو چنان قوی می شود که تبدیل به نیروی غالب بین هادی های شارژ نشده می شود. در واقع ، در تقسیم 10 نانومتر - تقریباً 100 برابر اندازه معمولی اتم - اثر کازیمیر معادل تقریباً 1 اتمسفر فشار ایجاد می کند (مقدار دقیق بسته به هندسه سطح و سایر عوامل دارد)
== تاریخچه ==
فیزیکدانان هلندی ، هندریک کاسیمیر و دیرک پولدر در آزمایشگاههای تحقیقاتی فیلیپس ، وجود نیرویی بین دو اتم قابل جابجایی و بین مثلا اتم و صفحه [[رسانا]] را در سال 1947 پیشنهاد کردند. این فرم ویژه نیروی کازیمیر - پولدر نامیده می شود. پس از گفتگو با نیلز بور ، که اظهار داشت ارتباطی با انرژی نقطه صفر وجود دارد ، کازیمر به تنهایی نظریه ای را پیش بینی کرد که نیروی بین صفحات رسانای خنثی را در سال 1948 پیش بینی می کند که به اثر باریک کازیمیر نام گذاری شد.
پیش بینی نیرو بعداً به فلزات با هدایت محدود و [[دی‌الکتریک]] منتقل شد و در محاسبات اخیر هندسه های کلی تری در نظر گرفته شده است. آزمایشات قبل از سال 1997 این نیرو را از نظر کیفی مشاهده کرده بود و اعتبار غیر مستقیم انرژی پیش بینی شده کازیمیر با اندازه گیری ضخامت فیلم های هلیوم مایع انجام شده بود. اما در سال 1997 بود که که یک آزمایش مستقیم توسط لامورکس توانست به صورت کمی نیرو را در 5٪ از مقدار پیش بینی شده توسط تئوری اندازه گیری کند. آزمایش های بعدی دقت بیشتری را نشان می دهد.
== علل احتمالی ==
=== انرژی خلاء ===
دلایل اثر کازیمیر توسط تئوری میدان کوانتومی شرح داده شده است ، که می گوید همه زمینه های مختلف بنیادی مانند میدان الکترومغناطیسی باید در هر نقطه از فضا اندازه گیری شود. در یک دیدگاه ساده ، یک "زمینه" در فیزیک ممکن است پیش بینی شود که گویی فضا از توپ و چشمه ارتعاش به هم پیوسته پر شده است ، و می توان قدرت میدان را به عنوان جابجایی یک توپ از موقعیت استراحت آن تجسم کرد. ارتعاشات در این زمینه توسط معادله موج مناسب برای قسمت خاص مورد نظر اداره می شود. کمی سازی دوم نظریه میدان کوانتومی مستلزم آن است که هر ترکیبی از چشمه اندازه گیری شود یعنی قدرت میدان در هر نقطه از فضا اندازه گیری شود. در ابتدایی ترین سطح ، میدان در هر نقطه از فضا نوسانگر هارمونیکی ساده است و کمیت آن در هر نقطه به عنوان یک نوسانگر هارمونیک کوانتومی قرار گرفته است. تحریکات رشته مربوط به ذرات ابتدایی فیزیک ذرات است. با این حال ، حتی خلاء از ساختار بسیار پیچیده ای برخوردار است ، بنابراین باید تمام محاسبات تئوری میدان کوانتومی در رابطه با این مدل از خلاء انجام شود.
خلاء به طور ضمنی تمام خصوصیاتی را دارد که یک ذره می تواند داشته باشد: چرخش ( اسپین) یا قطبش در مورد نور ، انرژی و غیره. به طور متوسط ، بیشتر این خصوصیات از بین می روند: خلاء ، به هر حال "خالی" از این معنا است با این حال یک استثناء مهم انرژی خلاء یا مقدار انتظار خلاء انرژی است. کمیت یک نوسان ساز هارمونیک ساده بیان می کند که کمترین انرژی ممکن یا انرژی با نقطه صفر که چنین نوسان ساز ممکن است داشته باشد به شکل زیر است :
<math display="block">{E}=\begin{matrix} \frac{1}{2} \end{matrix} \hbar \omega \ .</math>
جمع کردن همه نوسان سازهای ممکن در تمام نقاط فضا مقدار نامحدودی می دهد. از آنجا که تنها تفاوتهای انرژی از نظر جسمی قابل اندازه گیری است (به استثنای قابل توجه گرانش ، که از محدوده نظریه میدان کوانتومی دور باقی مانده است) ، این" بی نهایت "ممکن است به جای ویژگی فیزیکی به عنوان ویژگی ریاضیاتی در نظر گرفته شود. این استدلال زیربنای تئوری نوسازی است. پرداختن به مقادیر نامحدود از این طریق ، باعث ایجاد نگرانی گسترده در بین نظریه پردازان میدان کوانتومی قبل از توسعه این تئوری در دهه 1970 شد که بنابراین یک ریاضیدان برای بهتر شدن مقیاس پایه ای طبیعی برای این فرایند فراهم ایجاد کرد.
هنگامی که دامنه فیزیک گسترش یافته و شامل گرانش شد ، تفسیر این مقدار کاملاً نامتناهی همچنان مشکل ساز است. در حال حاضر هیچ توضیحی قانع کننده در مورد اینكه چرا نباید به یك ثابت كیهانی منجر شود كه دارای تعداد زیادی از مقادیر بزرگتر از آنچه مشاهده شده است باشد.
با این حال ، از آنجا که ما هنوز نظریه کوانتومی کاملاً منسجم از گرانش را در اختیار نداریم ، به همین دلیل هیچ دلیل قانع کننده ای وجود ندارد که چرا باید در عوض منجر به نتیجه گرفتن ارزش ثابت کیهانی شود که مشاهده می کنیم ، شود.
اثر کازیمیر برای فرمیون ها را می توان به عنوان عدم تقارن طیفی اپراتور فرمیون دانست<math>(-1)^F</math>جایی که به عنوان شاخص Witten شناخته می شود.
=== نیروی وان در والس نسبیت گرایانه ===
از طرف دیگر ، یک مقاله در سال 2005 توسط رابرت جافه از MIT اظهار داشت: اثرات کازیمیر را می توان تدوین و فرمول نگاری کرد و نیروهای کازیمیر را می توان بدون مراجعه به انرژی های صفر محاسبه کرد.نیروی کازیمر بین صفحات موازی به عنوان آلفا ( ثابت ساختار خوب) ناپدید می شود و به نتیجه استاندارد که به نظر می رسد مستقل از آلفا است ، با آلفا نزدیک به حد بینهایت مطابقت دارد ، "و اینکه" نیروی کازیمیر با وان در والس بین صفحات فلزی نیرو رابطه واکنش گرایانه دارد.
کاسیمیر و پولدر از این روش برای استخراج نیروی کازیمیر-پولدر استفاده کردند. در سال 1978 ، شووینر ، درد و میلتون نتیجه ی مشابهی برای اثر کازیمیر بین دو صفحه موازی منتشر کردند. در حقیقت ، توصیف از نظر نیروهای وان در والس تنها توصیف صحیح از منظر میکروسکوپی اساسی است ،در حالی که توصیف های دیگر از نیروی کازیمیر صرفا توصیفات ماکروسکوپی مؤثر است.
== اثر ها ==
مشاهده های کازیمر این بود که میدان الکترومغناطیسی کوانتومی دوم ، در صورت وجود اجسامی مانند فلز ها یا دی الکتریک ، باید از همان مرزهای مرسوم پیروی کند که میدان الکترومغناطیسی کلاسیک باید از آن پیروی می کرد. به طور خاص ، این در محاسبه انرژی خلاء در حضور یک هادی یا دی الکتریک تأثیر می گذارد.
به عنوان مثال ، محاسبه مقدار انتظار خلاء میدان الکترومغناطیسی درون یک حفره فلزی ، مانند مثلاً حفره راداری یا یک موجبر مایکروویو را در نظر بگیرید. در این حالت ، روش صحیح برای یافتن انرژی نقطه صفر این میدان ، جمع آوری انرژی امواج ایستاده حفره است. به هر موج ایستاده انرژی متناظر نسبت داده شده است. می گویند انرژی Nامین موج ایستاده به صورت <math>E_n</math>است
بنابراین مقدار انتظار خلاء از انرژی میدان الکترومغناطیسی در حفره
<math display="block">\langle E \rangle=\frac{1}{2} \sum_n E_n</math>
است.
با مجموع تمام مقادیر ممکن از n برای شمارش امواج ایستاده.
==منابع==
| |||