Наука та дослідження

Квантовий ефект Казимира в точних фізичних вимірах.

Коли вам кажуть, що фізика точна наука, не вірте. Жоден фізичний процес неможливо описати з усіма подробицями. Розглянемо як приклад падіння бурульки з даху.

У першому наближенні ми скажемо, що бурульку можна уявити як матеріальну точку, що рухається під дією постійної сили тяжіння в безповітряному просторі. Така модель передбачає, що нас цікавить не якась конкретна бурулька, але загальне уявлення про процес, справедливе для всіх бурульок. Якщо ж з якоїсь причини ми хочемо порівняти падіння якихось двох бурульок, то нам потрібно буде ускладнити модель, врахувати форму бурульок, тертя об повітря, процес відриву від даху.

У такій моделі відповіді будуть значно точніше, але за це доведеться розплатитися зростанням обсягу обчислень. І кожне наступне уточнення моделі буде все складніше обробити, а відповідні поправки до відповідей будуть все менше їх міняти. Теоретично в задачі про падіння бурульки можна врахувати навіть вплив супутників Сатурна, але навіщо це може знадобитися, мені навіть страшно уявити.

А врахувати всі впливають об’єкти неможливо в принципі. Можна підійти до питання з іншого боку. Якщо вже врахувати всі фактори в моделі неможливо, то чому б не поставити серію експериментів з бурульками, де природа врахує все за нас, і не отримати точні відповіді на основі цих даних? А тому, що ідеальних вимірювальних приладів не існує, а значить, і абсолютної точності досягти не вийде.

Підводячи підсумок, скажу, що розвиток фізики цілком можна уявити як постійну боротьбу за поліпшення теоретичних інструментів і підвищення точності вимірювальних приладів. І якщо в розвитку теорії поки якісних проривів не видно, то в розробці експериментального обладнання за останнє десятиліття з’явилися нові і цікаві підходи. Наприклад, в 2013 році був створений мікрочіп, здатний вимірювати силу Казимира – квантовий ефект, що полягає у взаємному тяжінні провідних незаряджених тіл під дією квантових флуктуацій у вакуумі.

Виникнення цього ефекту обумовлено особливостями вакууму, в якому постійно народжуються і анігілюють пари з частинок і античастинок. Якщо ж частина простору обмежити тілами, то між ними такі пари починають народжуватися рідше, в результаті чого утворюються сили тяжіння. Хороша аналогія тут-це два кораблі, близько стоять поруч при сильному хвилюванні.

За рахунок інтерференції хвиль між кораблями хвилювання пропадає, і хвилі зовні починають їх зрушувати. А зовсім недавно вчені з Університету Західної Австралії і Каліфорнійського університету в Мерседе представили новий спосіб вимірювання сил Казимира, який можна використовувати при управлінні мікрооб’єктами і в метрології, науці про вимірювання. В основі методики лежать проведені за кілька останніх років дослідження проявів ефекту Казимира в широкому діапазоні температур і відстаней, в тому числі при кімнатній температурі і розмірах існуючих на сьогоднішній день оптичних порожнин.

В результаті з фотонного резонатора і SiN-мембрани вийшло створити пристрій, впевнено і з хорошою точністю вимірює силу Казимира при кімнатній температурі. Тепер нам залишається сподіватися, що на основі цього прототипу вдасться створити нове покоління датчиків з поліпшеною на кілька порядків чутливістю до вимірюваної механічної сили, що відкриє нові технологічні перспективи. Наприклад, з таким обладнанням можна буде впевнено контролювати поведінку якихось мікроскопічних роботів, про які я вже писав.

J. M. Pate et al.

Casimir spring and dilution in macroscopic cavity optomechanics, Nature Physics (2020). DOI: 10. 1038 / s41567-020-0975-9Мне важлива Ваша думка.
Якщо подобається, ставте лайк, підписуйтесь.

Related posts

Leave a Comment