Физики измерили «силу пустоты»

Ученым удалось впервые измерить силу Казимира между двумя сферами. Это взаимодействие квантово-механической природы возникает между любыми проводниками, помещенными на достаточно малое расстояние друг от друга. Статья с результатами опубликована в журнале Physical Review Letters.

Согласно квантовой механике, вакуум это не абсолютная пустота, а совокупность нулевых колебаний всех физических полей. Такие флуктуации возникают из-за принципа неопределенности Гейзенберга и происходят в любой системе в состоянии с наинизшей энергией, в том числе и в вакууме. Вакуумные средние большинства полей равны нулю, что, однако, не мешает полям принимать отличные от нуля значения на коротких промежутках времени.

Квантовые флуктуации можно рассматривать как множество колебаний разных частот, зависящих от свойств системы. Если два проводника поднести друг к другу на близкое расстояние, то флуктуации электромагнитного поля между ними будут существовать только с длиной волны не больше такого расстояния. Так как с других сторон вакуум по-прежнему заполнен всеми возможными модами колебаний, то в результате появится сила, пытающаяся сблизить проводники еще больше, — сила Казимира. Голландский физик Хендрик Казимир предсказал существования этого эффекта на основе теоретического анализа в 1948 году.

Измерить величину этого взаимодействия очень сложно из-за ее маленького размера, а также из-за того, что необходимо контролировать положение тел с нанометровой точностью. Сам Казимир рассматривал ситуацию двух зеркал, но с экспериментальной точки зрения этот вариант непрактичен, так как небольшой наклон одного из них существенно меняет величину взаимодействия. В абсолютном большинстве предыдущих работ изучалась система сферы и плоского зеркала. В новой работе физики впервые смогли измерить силу Казимира между двумя сферами, для чего был использован атомный силовой микроскоп, к кантилеверу которого была прикреплена одна из сфер. Авторам удалось измерить силу Казимира и как функцию расстояния между телами, и в зависимости от радиусов сфер. Новый подход позволяет проводить подобные измерения для тел любой формы, благодаря чему можно будет оценить влияние этой силы на функционирование наноразмерных акселерометров, микрофонов и датчиков давления.