Енергія вакууму

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 58

Наприкінці травня минулого року багато популярних газет рясніли заголовками: «Вчені отримали енергію з вакууму!». Власники вакуумних насосів радісно потирали руки і в мріях вже бачили себе новими олігархами. Однак дарової енергії з вакууму на ринку поки не з’явилося.

У 1948 році голландські фізики-теоретики Хендрік Казимир і Дірк Полдер у пошуках пояснення властивостей колоїдних плівок розглянули взаємодію молекул, що поляризують один одного електромагнітними силами. Виявилося, що сила тяжіння поляризованої молекули до металевої платівки назад пропорційна четвертому ступеня відстані між ними.

Але цим справа не закінчилася. Казимир обговорював свої висновки з Нільсом Бором, і той зауважив, що тяжіння можна пояснити і зовсім інакше. Тоді вже було доведено, що віртуальні частинки фізичного вакууму впливають на енергетичні рівні внутрішньоатомних електронів (лембовське зрушення). На думку Бора, вирахований Казимиром ефект міг мати точно таку ж природу. Казимир провів відповідні розрахунки і отримав ту ж саму формулу.

Ефект Казимира

Того ж року Казимир запропонував простий і наочний приклад силового впливу вакууму. Уявімо собі дві плоскі пластини, розташовані паралельно. Щільність віртуальних фотонів між ними буде меншою, ніж зовні, оскільки там зможуть збуджуватися лише стоячі електромагнітні хвилі суворо визначених резонансних частот. В результаті в просторі між пластинами тиск фотонного газу виявиться менше тиску ззовні, через що вони будуть притягуватися один до одного, причому знову-таки з силою, назад пропорційної четвертого ступеня ширини щілини (при зближенні пластин набір допустимих частот стоячих хвиль скорочується, так що відмінність щільності «внутрішніх» і «зовнішніх» фотонів зростає). Реально таке тяжіння стає помітним на відстані декількох мікрометрів. Це явище і отримало назву ефекту Казимира.

З сучасної точки зреніяіменно

вакуумні флуктуації породжують силові взаємодії між молекулами. Тому вони проявляють себе при зближенні тіл різної форми (не обов’язково плоских), виготовлених з металів або діелектриків. Першими це півстоліття тому з’ясували співробітники теоротділу Інституту фізичних проблем Євген Ліфшиць, Ігор Дзялошинський і Лев Пітаєвський. Вони ж показали, що за певних умов на зміну казимирівському тяжінню приходить відштовхування. Достовірне експериментальне підтвердження існування такого тяжіння було отримано в 1997 році Стівом Ламоро, Умаром Мохідіном і Анушрі Роєм. Казимирівські сили відштовхування вперше експериментально виміряла в 2009 році група під керівництвом Джеремі Мандея.

Рухомі дзеркала

У 1970 році фізик з американського Університету Брандейса Джеральд Мур опублікував статтю, де теоретично розглянув поведінку вакууму в порожнині, обмеженій двома плоскопараллельними дзеркалами, що зближуються або розходяться. Він показав, що такі дзеркала можуть посилити вакуумні флуктуації… і змусити їх породити реальні фотони. Однак, згідно з розрахунками Мура, для генерації фотонів в наскільки-небудь помітних кількостях дзеркала повинні мати релятивістську швидкість. Наприкінці 1980-х проблема «розкачки» вакуумних флуктуацій зацікавила багатьох вчених. Її теоретичний аналіз показав, що вакуум здатний народжувати реальні фотони не тільки біля матеріальних тіл, що володіють субсветовою швидкістю, але і поблизу матеріалів, які швидко змінюють свої електричні або магнітні властивості. Таке перетворення віртуальних вакуумних флуктуацій на реальні кванти назвали динамічним, або нестаціонарним, ефектом Казимира.

Віртуальне дзеркало, реальні фотони

Звичайний ефект Казимира полягає в тяжінні двох плоских паралельних пластин за рахунок «селекції» резонансних стоячих хвиль між ними. Динамічний ефект передбачає «розвіртуалізацію» фотонів при швидкому (релятивістському) русі дзеркал. Зрозуміло, що суто механічним способом повторити таку схему неможливо, тому група з Університету Чалмерса в Гетеборзі використовувала «віртуальні» дзеркала — за допомогою коливань магнітного поля вони змінювали довжину хвилевода, що аналогічно руху його кордону з релятивістськими швидкостями.

До недавнього часу ці дослідження обмежувалися чистою теорією. Пряме відтворення схеми Мура, зрозуміло, не під силу сучасним технологіям, які не вміють розганяти дзеркала з будь-яких матеріалів до субсвітових швидкостей. У науковій літературі неодноразово обговорювалися більш практичні пристрої для спостереження динамічного ефекту Казимира — наприклад, п’єзоелектричні вібратори і високочастотні електромагнітні резонатори. В останні роки фізики, які працюють у цій галузі, утвердилися в думці, що ці експерименти цілком здійсненні.

Перевірка на практиці

Першими успіху досягли Крістофер Вілсон і його колеги по Технологічному університету Чалмерса в шведському місті Гетеборге разом з колегами з Австралії та Японії. «Овіщення» віртуальних фотонів відбувалося біля хвилеводу з алюмінію, підключеного до надпровідного квантового інтерферометру (два джозефсонівських тунельних переходи, паралельно з’єднаних у замкнутий контур). Експериментатори змінювали індуктивність цього контуру, пропускаючи через нього магнітний потік, що осцилює з частотою близько 11 ГГц. Коливання індуктивності позначалися на електричній довжині хвилевода, яка осцилювала з цілком релятивістською швидкістю (близько чверті швидкості поширення електромагнітних хвиль у хвилеводі, яка приблизно дорівнювала 40% швидкості світла у вакуумі). Хвилевод, як і очікувалося, випромінював фотони, витягнуті з вакуумних флуктуацій. Спектр цього випромінювання відповідав теоретичним передбаченням.

Змінюючи магнітне Дослідження

змінювали індуктивність SQUID і тим самим довжину плоского одномірного хвилевода, «пересуваючи» його кордон, який і слугував як віртуальний дзеркал для фотонів. Зображення: «Популярна механіка»

Однак використовувати цю установку для отримання енергії з вакууму неможливо: енергія отриманого випромінювання незмірно слабша за потужність, яку доводиться закачувати в прилад. Це ж справедливо і для інших пристроїв, якими можна скористатися для спостереження динамічного ефекту Казимира. Загалом, вакуум — це зовсім не нафтоносний шар.