6.9 אפקט קזימיר

דף הבית ／ פרק 6: תחום הקוואנטים (V5.05)

I. התופעה והשאלות

כאשר מקרבים שתי לוחות מתכת בלתי טעונים ומבודדים חשמלית למרחקים זעירים של ננומטרים עד מיקרומטרים הם מתחילים להימשך זה לזה מעצמם. העוצמה גדלה הרבה מעבר למה שמרמזת האינטואיציה של חוק הריבוע ההפוך. התופעה נמדדה בגיאומטריות שונות כגון לוח–לוח וכדור–לוח ובחומרים מגוונים. בנוזלים מסוימים הכיוון אף עשוי להתהפך לדחייה. אם משנים במהירות את מצב הגבול או מטלטלים אותו נוצרים בזוגות פוטונים מתוך הריק – הגרסה הדינמית של אפקט קזימיר.

II. פירוש בתורת הסיבים האנרגטיים – הגבול משנה את ספקטרום הים ונוצרת הפרש לחצים

בתורת הסיבים האנרגטיים הריק איננו ריק באמת אלא מצב היסוד של ים אנרגטי המלא ברעש רקע טנזורי עדין ונפוץ. הרעש מתבטא בקמטים זעירים ברצועות תדר רבות ומכל כיוון. גבול כגון משטח מתכת או ממשק דיאלקטרי פועל כבררן המתיר או מונע קמטים מסוימים וכך הופך את הסביבה המקומית לקופסת תהודה מוגבלת. מכאן נובעות שלוש תוצאות עיקריות.

1. ספקטרום דל לעומת צפוף – אי סימטריה בין פנים לחוץ
   • בין הלוחות שורדות רק תנודות שקשרי הצומת שלהן מתלכדים וקמטים רבים אחרים נדחקים החוצה.
   • מחוץ ללוחות הסינון הגיאומטרי כמעט ואינו פועל ולכן זמינות יותר רצועות שימושיות.
   • התוצאה היא שרקע החוץ רועש יותר ורקע הפנים שקט יותר – כשני אקלים מיקרוגליים שונים.
2. הפרש לחצים טנזורי – הצד השקט נדחף בידי הצד הרועש
   • אפשר לראות בקמטי הרקע נקישות זעירות המגיעות מכל עבר. בחוץ שבו הספקטרום השימושי עשיר יותר הדחיפה נטו גדולה מעט ובפנים קטנה יותר.
   • הסתירה הספקטרלית יוצרת הפרש לחצים טנזורי והלוחות נדחפים להתקרב זה לזה בגלל נקישות חזקות יותר מבחוץ.
   • בצמדי חומרים ומדיה מסוימים כגון שני מוצקים אנאיזוטרופיים המופרדים בנוזל בעל מקדם שבירה מתאים הספקטרום השימושי בפנים עשוי להתלכד טוב יותר והכיוון יתהפך לדחייה.
3. כתיבה מחדש מהירה של הגבול – הרקע נשאב ונפלטים חבילות גל
   • אם מזיזים במהירות את הגבול או משנים בפתאומיות את תכונותיו האלקטרומגנטיות לדוגמה קצה מחזיר ניתן לכיוון במעגל על מוליך־על הספקטרום השימושי מתחלק מחדש באחת. רעש הרקע הטנזורי נשאב ונוצרים זוגות פוטונים מתואמים – סימן ההיכר של הגרסה הדינמית.
   • שימור האנרגיה נשמר והאנרגיה של הפוטונים נלקחת מן העבודה שהושקעה בכתיבה מחדש של הגבול.

שורה אחת לזכור – הגבול קובע את הספקטרום, הספקטרום קובע את הפרש הלחצים, והפרש הלחצים הוא הכוח.

III. מצבים טיפוסיים במעבדה – מה רואים בניסוי

• משיכה בין לוחות מקבילים – התקן שולחני מקובל
  משיכה ניתנת לשחזור בין משטחים מתכתיים או מוליכים מאוד ברווחים של ננו ועד תת מיקרון. ככל שהמרחק קטן הכוח מזנק במהירות. חספוס, מקביליות וטמפרטורה משפיעים על התוצאה.
• גיאומטריית כדור–לוח ומיקרו קנטילברים
  מיקרוסקופ כוח אטומי או קנטילבר זעיר מאפשרים למדוד את כוח כדור–לוח, להקל על היישור, לשמר את המגמה של ככל שמתקרבים כך מתחזקים, ולאמת תיקונים גיאומטריים עדינים.
• היפוך סימן במדיום – דחייה ומומנט פיתול
  שני גופים אנאיזוטרופיים המופרדים בנוזל שנבחר בקפידה עשויים להראות דחייה או מומנט סיבובי עצמי שבו המערכת מסתובבת לזווית מועדפת. הדבר משקף העדפות כיוון וקיטוב של ברירת הספקטרום.
• הגרסה הדינמית – לחלץ פוטונים מן הריק
  כוונון מהיר של מיקום הגבול האפקטיבי במעגלים על מוליכי־על יוצר קרינה בזוגות מתואמים – טביעת אצבע של חבילות גל שנשאבו.
• אינטראקציה אטום–משטח לטווח ארוך – קרוב משפחה של אפקט קזימיר–פולדר
  אטומים קרים סמוך למשטח חווים פוטנציאלים מדידים של משיכה או דחייה המשתנים עם מרחק וטמפרטורה. זו הופעה נוספת של ספקטרום שנכתב מחדש בידי גבולות.

IV. סימנים ניסויים – כך מזהים את האפקט

• תלות חזקה במרחק
  ברווחים קטנים העקומה של כוח מול מרחק נעשית תלולה מאוד. לכל גיאומטריה חוקי סקיילינג משלה אך כולן מצביעות על שליטת שדה הקרבה.
• כיוונון באמצעות חומר וטמפרטורה
  מוליכות, ספקטרום דיאלקטרי, תגובה מגנטית, אנאיזוטרופיה וטמפרטורה משנים בעקביות את גודל הכוח ואף את סימנו.
• תחילה מתקנים פני שטח אמיתיים
  משטחים ממשיים נושאים חספוס וכתמי פוטנציאל המוסיפים רקע אלקטרוסטטי. לאחר כיול נפרד והפחתה נשאר הרכיב המתאים להפרש לחצים עקב שינוי ספקטרלי.
• זוגיות מתואמת בגרסה הדינמית
  בגרסה הדינמית הקרינה מופיעה בזוגות מתואמים – סימן לכתיבה מחדש של הספקטרום ולשאיבת הרקע.

V. תשובות קצרות למיתוסים נפוצים

• האם חלקיקים מדומים מושכים את הלוחות
  תיאור ברור יותר הוא שהגבולות כותבים מחדש את הספקטרום השימושי של הרקע ולכן אקלים הרעש בפנים ובחוץ שונה ומכך נובע הפרש לחצים טנזורי. אין צורך בדימוי של ידיים קטנות בלתי נראות.
• האם חוק שימור האנרגיה מופר
  לא. במצב סטטי קירוב הלוחות דורש עבודה מכנית והאנרגיה נאגרת במערכת. במצב דינמי אנרגיית זוגות הפוטונים נלקחת מן ההנעה החיצונית שכתבה את הגבול מחדש.
• אם זה בא מאנרגיית הריק האם זו מקור אנרגיה אין סופי
  לא. המאזן נטו מגיע מן העבודה המכנית או מהפרשי אנרגיה חופשית בין חומר לסביבה. אנרגיה איננה נוצרת מכלום.
• האם האפקט קיים גם במרחקים גדולים
  כן אך הוא נחלש במהירות. תרומות תרמיות ודיספרסיה חומרית משתלטות וקשה לבודד את האות למרחק.

VI. הצלבה עם התיאור המקובל – מדברים על אותו דבר

• שפת הזרם המרכזי
  תנודות נקודת האפס של השדה האלקטרומגנטי הקוונטי מוסטות בין מצבים עקב תנאי שפה. צפיפויות מצבים שונות בפנים ובחוץ יוצרות כוח נטו. עבור מדיומים מפזורים ובטמפרטורה סופית מחשבים במסגרת ליפשיץ הכללית.
• שפת תורת הסיבים האנרגטיים
  בים האנרגטי קיים רעש רקע טנזורי. הגבולות פועלים כברירי ספקטרום כך שמתכוני הקמטים השימושיים בפנים ובחוץ שונים ונוצר הפרש לחצים טנזורי. התוצאות הנצפות תואמות ואפשר לראות בתמונת מצבי השדה סיפור אינטואיטיבי של קמטי ים ולחץ טנזורי.

VII. לסיכום

אפקט קזימיר איננו כוח מסתורי מן האין. גבולות מארגנים מחדש את ספקטרום ים האנרגיה כך שבפנים ובחוץ מתקבלות עוצמות שונות והעדפות כיוון שונות של הרקע ומכאן נולד הפרש לחצים.
במצב סטטי מתקבלת משיכה לטווח קצר או דחייה במדיות מכוונות. במצב דינמי כתיבה מחדש של הספקטרום עשויה לשאוב את הרקע לחבילות גל מתואמות.
לזכור – הגבול קובע את הספקטרום, הספקטרום קובע את הלחץ, והלחץ הוא הכוח.