Эффект Казимира: шаг навстречу космическим путешествиям

Вы, наверное, слышали о так называемом эффекте Казимира в научно-фантастическом фильме, но было ли вам известно, что энергию пустого пространства можно в теории использовать для исследования Вселенной? Эффект Казимира описывает, что в пустом пространстве есть энергия, которая может воздействовать на физические объекты. Ученые разрабатывают способы применения этой концепции в самых разных областях, от освоения космоса до нанотехнологий. Правильно используемое «пустое пространство» Вселенной может быть использовано для ускорения космических кораблей в регионы, в настоящее время неизведанные человеком.


Эффект Казимира пытается объяснить, почему «пустое пространство», или «вакуум», обладает энергией, силой, которая может оказывать влияние на реальные объекты. Он появляется из двух незаряженных пластин с вакуумом между ними (также известным как основное состояние квантованного электромагнитного поля). Пластины должны находиться очень близко друг к другу, чтобы проявились эффекты (на дистанции в нанометры, в толщину цепи ДНК). Пары виртуальных частиц (материи и антиматерии) то и дело возникают, вырабатывая фотоны в вакууме, которые оказывают воздействие на пластины как изнутри, так и по другую сторону пластин. Тем не менее, если пространство между пластинами станет достаточно малым, фотоны с длиной волны большей, чем пространство между пластинами, перестанут в него вписываться, вызвав дисбаланс сил по ту и другую сторону пластин. Пластины начнут притягиваться под воздействием внешних фотонов. Чем ближе пластины, тем сильнее силы. Чтобы это стало возможным, эффект Казимира предполагает, что должен соблюдаться принцип неопределенности Гейзенберга (вы можете измерить энергию или момент во времени объекта, но не одновременно).

Одним из конкретных применений эффекта Казимира является так называемый динамический эффект Казимира. Одна из пластин движется назад и вперед, а другая удерживается в неподвижном состоянии. Это позволяет собрать больше энергии и направить ее, например, на движение космического корабля.


Сам эффект Казимира был предложен в 1948 году физиком Хендриком Казимиром. Годом ранее Казимир вместе с физиком Дирком Полдером в научно-исследовательской лаборатории Philips выдвинули идею о том, что между проводящей пластиной и атомом, а также между двумя атомами существует некая сила. Атомы должны быть поляризованы, чтобы проявлялся этот эффект — то есть разделять или накапливать положительные и отрицательные электрические заряды в двух разных областях. Эти идеи появились у физиков после бесед с Нильсом Бором, который предположил, что, находясь в самой низкой энергетической точке, система должна что-то делать с этой силой.


С тех пор эффект Казимира изучался многими. За долгие годы было проведено множество экспериментов, в том числе и эти:

    1958 — непрямой эксперимент: Спарнаай использовал параллельные пластины, чтобы получить наглядные проявления эффекта Казимира, но с множеством экспериментальных ошибок;
    1972 — непрямой эксперимент: Сабиски и Андерсон измерили толщину гелиевых пленок, косвенно подтвердив эффект Казимира;
    1978 — непрямой эксперимент: фон Блэк и Овербеек наблюдали силу качественно;
    1997 — прямой эксперимент: Ламоро, Мохидин и Рой качественно измерили силу в пределах 15% от величины, предсказанной теорией;
    2001 — прямой эксперимент: ученые из Университета Пади использовали микрорезонаторы, чтобы обнаружить этот эффект между параллельными пластинами.

За многие годы стало очевидно, что использование двух параллельных пластин для обнаружения этой силы требует невероятной точности, когда дело доходит до выравнивания. Одна из пластин была замещена сферической пластиной с очень большим радиусом.

Динамический эффект Казимира потребовал больше времени для проверки. Он был предсказан в 1970-х годах и экспериментально подтвержден в мае 2011 года учеными из Технологического университета Чалмерса в Гетеборге, Швеция. Ученые генерировали микроволновые фотоны в вакууме сверхпроводящего микроволнового резонатора. Для достижения эффекта движущейся пластины ученые использовали модифицированный SQUID (сверхпроводящее устройство квантовой интерференции), чтобы регулировать дистанцию между пластинами. Результаты до сих пор находятся на рассмотрении научной экспертизы, но если они подтвердятся, это будет первое экспериментальное подтверждение динамического эффекта Казимира.


Как же от силы, сдвигающей нанопластинки, перейти к космическим путешествиям на околосветовых скоростях? Динамический эффект Казимира можно использовать, чтобы создать двигатель для космического корабля, получая энергию прямо из вакуума. Хотя эта идея весьма амбициозная, один молодой египтянин уже ее запатентовал.

Другая теория, которая вытекает из эффекта Казимира, заключается в том, что червоточину можно стабилизировать вследствие нехватки массы между двумя пластинами. В теории это может привести к путешествиям быстрее света, хотя это спекулятивно и вообще теория.

К счастью, проводятся новые эксперименты, технологии улучшаются, и вполне может так статься, что использование эффекта Казимира на практике не за горами. В частности, он может пригодиться в нанотехнологиях — в кремниевой схемотехнике и осцилляторах Казимира.