ELEARNING.SK | PR SPRÁVY | GSGROUP | NAJDES.SK | BRIGÁDY, PRÁCA | GLOBALOFFICE.SK | REGISTRAČNÉ VIRTUÁlNE SÍDLO FIRMY | MINCE | CMS | ESHOP | TESTIVA
Prihlásenie:
>Staňte sa redaktorom eQuark.sk

eQuark.sk

Anketa

Ak by ste o tom mohli rozhodnúť práve vy, zaradili by ste Pluto opäť medzi planéty?

Quark

Je pravda, že dve kovové dosky sa vo vákuu priťahujú (aj inak ako gravitačne)?

16.9.2009 11:49:52 | * q
| Počet zobrazení: 4151x

Odpovedá Mário Ziman,
Fyzikálny ústav SAV

 

Áno. V roku 1948 holandský fyzik Hendrik Casimir predpovedal, že sa dve kovové nenabité rovnobežné platne vo vákuu budú priťahovať silou F. Podľa objaviteľa dnes hovoríme o tzv. Casimirovom jave alebo o Casimirovej sile. Pre ilustráciu si predstavme dve paralelné zrkadlá s veľkosťou jedného štvorcového metra, ktoré sú umiestnené vo vzdialenosti jedného mikrometra. Casimirova sila medzi zrkadlami je približne 13 mN, čo zodpovedá ťiažovej sile telesa s hmotnosťou 13 gramov. Inými slovami ide o silu relatívne malú. Skôr ako o veľkosť ide však v prípade Casimirovej sily o jej záhadný pôvod. Odkiaľ sa berie?

Casimirova sila pochádza doslova z ničoho alebo z vákua. Kvantová teória nás, okrem iných vecí, donútila pozmeniť aj náš pohľad na vákuum. Fyzikálne vákuum je taká časť priestoru, v ktorej sa nenachádza žiadna hmota, teda iba prázdno. V kvantovom svete je však aj také vákuum plné života. Prebieha v ňom neustála kreácia a anihilácia hmoty a antihmoty vo forme virtuálnych častíc a antičastíc. Dôvodom tejto dynamiky sú vzťahy neurčitosti, podľa ktorých ani nulová (základná) energia vákua nemôže byť presne lokalizovaná v čase a v priestore. Vo veľmi malých časových škálach energia vákua kolíše. A Casimirova sila je jedným z dôsledkov týchto vákuových fluktuácií.

Aj vákuum medzi paralelnými zrkadlami je plné života, ale prítomnosť zrkadiel obmedzuje vlastnosti vznikajúcich párov častíc a antičastíc. Veľmi zhruba povedané energia virtuálnej častice a antičastice musí byť taká, aby fotóny, ktoré vzniknú ich anihiláciou, mali vlnové dĺžky menšie ako je vzdialenosť zrkadiel. Z tejto predstavy je zrejmé, že prítomnosť zrkadiel ovplyvňuje správanie vákua, hlavne jeho energiu a dynamiku. Neexistuje jednoduchý argument, či prítomnosť zrkadiel energiu vákua zvyšuje alebo znižuje. Avšak priťahovanie či odpudzovanie zrkadiel závisí práve od toho, akým spôsobom sa zmenia vlastnosti vákua. Pre prípad rovnobežných plochých zrkadiel H. Casimir spočítal, že sila by mala byť príťažlivá. Ale ak by sme napríklad použili kovovú guľu, presekli ju na dve pologule a študovali Casimirovu silu medzi nimi, tak by sme zistili, že Casimirova sila medzi pologuľami je odpudivá. Casimirova sila závisí od konkrétnej geometrie.

V roku 1957 Marcus Sparnaay v Eindhovene po prvýkrát experimentálne pozoroval Casimirov jav, aj keď s veľmi veľkou nepresnosťou merania sily. Potvrdenie teórie Casimirovho javu si vyžadovalo zdokonalenie experimentálnych technológií a až v roku 1997 Steve Lamoreaux z Washingtonskej univerzity v americkom Seattle úspešne zmeral Casimirovu silu medzi guľou s priemerom 4 cm a plochou platňou. Po priblížení objektov na jeden mikrometer S. Lamoreaux pozoroval vzájomné pritiahnutie objektov k sebe a určil Casimirovu silu s presnosťou 5 %. Následne laboratóriá po celom svete začali experimentálne študovať Casimirov jav. Umar Mohideen so spolupracovníkmi z Kalifornskej univerzity v Riverside pomocou mikrožeriavu priblížil zlatom pokrytú nanoguličku s rozmermi niekoľkých mikrometrov do vzdialenosti 0,1 mikrometra od plochej dosky pokrytej tiež zlatom (pozri obrázok). Pomocou vychýlenia mikrožeriavu monitorovaného laserom sa im podarilo zmerať Casimirovu silu s presnosťou na 1 %.

Vstúpením do mikrosveta však bolo treba kriticky prehodnotiť niektoré predpoklady a výpočty následne poupraviť. Predstava perfektne rovnej kovovej platne je, žiaľ, na tejto škále iba idealizáciou. Astrid Lambrechtová z Paríža ukázala, že idealizácia perfektne rovného povrchu funguje iba pre vzdialenosti väčšie ako 0,5 mikrometra. Napríklad pre vzdialenosť 0,1 mikrometra je sila medzi dvoma „reálnymi“ plochými zrkadlami o polovicu menšia, ako by bola pre perfektné zrkadlá. Ďalším problémom je teplota. Experimenty sa nerobia pri teplote absolútnej nuly a ukazuje sa, že Casimirov jav vcelku komplikovane závisí aj od teploty. Casimirova sila je napríklad pri vzdialenosti 7 mikrometrov dvakrát väčšia pri izbovej teplote ako pri teplote absolútnej nuly.

Aj keď Casimirova sila je relatívne malá v bežných rozmeroch, na škále mikrometrov a nanometrov sa stáva dominantnou silou medzi elektricky neutrálnymi mikroobjektami. A práve v tejto oblasti dnes technológia zažíva svoju revolúciu. Vyvíjajú sa mikrosystémy, ktoré sú elektricky riadené a kontrolované, avšak vykonávajú rôzne mikromechanické aktivity. Ide o oblasť tzv. mikroelektromechanických systémov, ako sú napríklad mikrožeriavy, mikrorotory alebo iné mechanizmy veľkosti niekoľkých mikrometrov. Pri týchto systémoch treba už s Casimirovou silou reálne počítať a dokonca je možné ju aj využiť. V roku 2001 Federico Capasso z Bellových laboratórií úspešne použil Casimirovu silu na riadenie nelineárneho mikromechanického oscilátora. V roku 2009 experimentálne demonštrovali aj odpudivú Casimirovu silu, pomocou ktorej nechali levitovať zlatú nanoguličku nad vodorovným kremíkovým povrchom. Takouto levitujúcou guličkou vieme v princípe na mikroúrovni pohybovať po povrchu prakticky bez trenia, čo dáva mikrosvetu mnoho výhod. Oblasť mikromotorov, mikrorobotov a iných mikromašín je prirodzeným ihriskom, na ktorom Casimirova sila dnes nachádza svoje uplatnenie.

Od zdanlivo bláznivej otázky o priťahovaní sa zrkadiel vo vákuu sme sa dostali až k potenciálnemu riadeniu mechanoelektrických mikrorobotov. Casimirova sila pochádzajúca z ničoho (vákua) a predpovedaná pred 60 rokmi sa z úlohy kuriozity dnes stáva jednou z hlavných celebrít moderných fyzikálnych technológií a predmetom veľmi intenzívneho a sľubného výskumu. Dočkala sa svojho času.

Zdieľaj článok
 
Hodnotenie: 1,76
Príspevok na titulke

Vyberte článok na titulku kliknutím na linku

 

www.brigada.sk - brigády, brigáda, práca, zamestnanie www.najdes.sk - katalóg, portál, vyhľadávač www.equark.sk - veda, výskum, technika www.uvery.sk - úvery, pôžičky, hypotéky www.elearning.sk - elearning, LMS, vzdelávanie, kurzy, elektronické vzdelávanie www.globaloffice.sk - registračné sídlo, virtuálna adresa a kancelária www.globalhosting.sk - domény, doména, webhosting, hosting www.globalweb.sk - CMS, WCMS, redakčný systém, publikačný systém www.globalshop.sk - internetový obchod, eshop, e-commerce Global Services Slovakia s.r.o. - www.gsgroup.sk, informačné systémy, portálové riešenia, intranety, web dizajn

Generuje redakčný CMS systém GlobalWeb spoločnosti Global Services Slovakia s.r.o.