Casimir etkisi

Casimir paralel plakalara kuvvet uygular

Kuantum mekaniği
$i\hbar {\frac {\partial }{\partial t}}|\psi (t)\rangle ={\hat {H}}|\psi (t)\rangle$ Schrödinger denklemi
Giriş Sözlük Tarihçe
Arka plân Klasik mekanik Eski kuantum teorisi Bra–ket notasyonu Hamiltoniyen Girişim
Temelleri Casimir etkisi Tutarlılık Ayrışma Tamamlayıcılık Enerji seviyesi Dolanılıklık Hamiltoniyen Belirsizlik ilkesi Temel durumu Girişim Ölçüm Yerbilinmezliği Gözlenebilen işleç Kuantum Kuantum dalgalanması Kuantum köpüğü Kuantum levitation Kuantum sayısı Kuantum gürültüsü Kuantum alemi Kuantum durumu Kuantum sistemi Kuantum ışınlanması Qubit Spin Süperpozisyon Simetri (Doğal) Simetri kırılması tünelleme Vakum durumu Dalga yayılımı Dalga fonksiyonu Dalga fonksiyonu çöküşü Dalga-parçacık ikiliği Madde dalgası
Deneyler Afshar Bell'in eşitsizliği Davisson–Germer Çift yarık Elitzur–Vaidman Franck–Hertz Leggett – Garg eşitsizliği Mach–Zehnder Popper Quantum eraser (delayed-choice) Schrödinger's cat Quantum suicide and immortality Stern–Gerlach Wheeler's delayed-choice
formülasyonlar Overview Heisenberg Interaction Matrix Phase-space Schrödinger Sum-over-histories (path integral)
Denklemler Dirac Klein–Gordon Pauli Rydberg Schrödinger
Yorumlama Overview Consistent histories Copenhagen de Broglie–Bohm Ensemble Hidden-variable Many-worlds Objective collapse Bayesian Quantum logic Relational Stochastic Scale relativity Transactional
Gelişmiş konular Quantum annealing Quantum chaos Quantum computing Density matrix Quantum field theory Fractional quantum mechanics Quantum gravity Quantum information science Quantum machine learning Perturbation theory (quantum mechanics) Relativistic quantum mechanics Scattering theory Spontaneous parametric down-conversion Quantum statistical mechanics
Bilim adamları Aharonov Bell Blackett Bloch Bohm Bohr Born Bose de Broglie Candlin Compton Dirac Davisson Debye Ehrenfest Einstein Everett Fock Fermi Feynman Glauber Gutzwiller Heisenberg Hilbert Jordan Kramers Pauli Lamb Landau Laue Moseley Millikan Onnes Planck Rabi Raman Rydberg Schrödinger Sommerfeld von Neumann Weyl Wien Wigner Zeeman Zeilinger

Kuantum alanı teorisinde, Casimir etkisi ve Casimir-Polder kuvveti, nicel bir alandan kaynaklanan fiziksel kuvvetlerdir. 1948'de onları öngören Hollandalı fizikçi Hendrik Casimir'den sonra adı verildi.

Casimir etkisi, iletken metallerin ve dielektriklerin varlığının, ikinci nicelenmiş elektromanyetik alanın enerjisinin vakum beklentisi değerini değiştirdiği fikri ile anlaşılabilir. Bu enerjinin değeri iletkenlerin ve dielektriklerin şekillerine ve konumlarına bağlı olduğundan, Casimir etkisi kendisini bu tür nesneler arasında bir kuvvet olarak gösterir.

Herhangi bir ortamı destekleyen salınım, Casimir etkisinin bir analoguna sahiptir. Örneğin, bir sicim üzerindeki boncukların yanı sıra gürültülü suya veya gaza batırılmış plakalar Casimir kuvvetini göstermektedir.

Modern teorik fizikte, Casimir etkisi, nükleonun kiral torba modelinde önemli bir rol oynar; uygulamalı fizikte, ortaya çıkan mikro teknolojilerin ve nanoteknolojilerin bazı yönlerinde önemlidir.

Fiziksel özellikler

Tipik bir örnek, bir vakum içinde iki şarjsız iletken plakanın örneğidir ve birkaç nanometre birbirinden ayrılmıştır. Klasik bir tarifte, harici bir alanın bulunmaması, plakalar arasında bir alan olmadığı ve bunlar arasında bir kuvvetin ölçülmeyeceği anlamına gelir. Bu alan, bunun yerine kuantum elektrodinamik vakum kullanılarak incelendiğinde, plakaların, alanı oluşturan sanal fotonları etkilediği ve iki plakanın spesifik düzenlemesine bağlı olarak bir çekim ya da itme gibi net bir kuvvet yarattığı görülmektedir. Casimir etkisi, nesnelerle etkileşime giren sanal parçacıklar olarak ifade edilebilse de, nesneler arasındaki araya giren alanda nicelenmiş bir alanın sıfır nokta enerjisi açısından en iyi şekilde tanımlanır ve daha kolay hesaplanır. Bu kuvvet ölçülmüştür ve resmen ikinci nicelleştirme ile yakalanan etkinin çarpıcı bir örneğidir.

Bu hesaplamalarda sınır şartlarının işleyişi bazı tartışmalara yol açmıştır. Aslında, "Casimir'nin asıl amacı, iletken plakaların van der Waals kuvvetlerini polarize edilebilir moleküller arasındaki kuvveti hesaplamak" idi. Böylece, kuantum alanların sıfır nokta enerjisine (vakum enerjisi) atıfta bulunmadan yorumlanabilir.

Kuvvetin kuvveti mesafe ile hızla düştüğü için, sadece nesneler arasındaki mesafe çok küçük olduğunda ölçülebilir. Bir mikron altı ölçekte, bu kuvvet o kadar güçlü olur ki, yüklenmemiş iletkenler arasındaki baskın kuvvet haline gelir. Aslında, 10 nm'lik ayrımlarda - atomun tipik boyutunun yaklaşık 100 katı - Casimir etkisi yaklaşık 1 atmosfer basınç eşdeğeri üretir (yüzey geometrisine ve diğer faktörlere bağlı olarak kesin değer).

Tarihçe

Hollandalı fizikçiler Hendrik Casimir ve Dirk Polder, Philips Research Labs'da, iki kutuplanabilir atom arasında ve böyle bir atom ile iletken plaka arasında 1947'de bir kuvvetin varlığını önerdi; bu özel forma Casimir-Polder kuvveti denir. Sıfır nokta enerjisiyle bir ilgisi olduğunu öne süren Niels Bohr ile bir görüşmeden sonra, Casimir, 1948'de, dar anlamda Casimir etkisi olarak adlandırılan nötr iletken plakalar arasındaki bir kuvveti öngören teoriyi tek başına formüle etti.

Gücün tahminleri daha sonra sonlu iletkenlik metallerine ve dielektriklere genişletildi ve son hesaplamalar daha genel geometrileri göz önüne aldı. 1997'den önceki deneyler kuvveti niteliksel olarak gözlemlemiş ve öngörülen Casimir enerjisinin dolaylı olarak doğrulanması, sıvı helyum filmlerinin kalınlığının ölçülmesiyle yapılmıştır. Bununla birlikte, 1997 yılına kadar S. Lamoreaux tarafından yapılan doğrudan bir deney, kuvveti kantitatif olarak teori tarafından öngörülen değerin %5'i kadar ölçmüştü. Daha sonraki deneyler yüzde birkaç kesinliğe yaklaşıyor.

Muhtemel sebepler

Kuantum alanı teorisi
Feynman diyagramı
Tarihçe
Arka plân Alan teorisi Elektromanyetizm Zayıf kuvvet Güçlü kuvvet Kuantum mekaniği Özel görelilik Genel görelilik Ölçüm teorisi
Simetriler Kuantum mekani?inde simetri C-simetri P-simetri T-simetri Uzay translasyon simetrisi Zaman translasyon simetrisi D?nel simetri Lorentz simetrisi Poincaré simetrisi Ayar simetrisi Açık simetri kırılması Spontan simetri kırılması Yang-Mills teorisi Noether yükü Topolojik yük
Araçlar Anomali Geçit Etkili alan teorisi Beklenti değeri Hayalet alanları Faddeev – Popov hayaleti Feynman diyagramı Kafes ayarı teorisi LSZ azaltma formülü Bölme fonksiyonu Yayıcı Nicemleme Düzenleştirilme Renormalizasyon Vakum durumu Wick teoremi Wightman aksiyomları Feynman parametreleri
Denklemler Dirac denklemi Klein–Gordon denklemi Proca denklemi Wheeler–DeWitt denklemi Bargmann–Wigner denklemi Joos–Weinberg denklemi Weyl denklemi
Standart Model Kuantum elektrodinamiği Elektrozayıf etkileşim Kuantum kromodinamiği Higgs mekanizması
Eksik teoriler Topolojik kuantum alanı teorisi Sicim kuramı Superstring teorisi M-teorisi Süpersimetri Süper kütle çekimi Technicolor Her şeyin teorisi Kuantum k?tle ?ekimi
Bilim adamları C. D. Anderson P. W. Anderson Bethe Bjorken Bogoliubov Brout Callan Coleman DeWitt Dirac Dyson Englert Fermi Feynman Fierz Fock Fröhlich Glashow Gell-Mann Gross Guralnik Heisenberg Higgs Haag Hagen 't Hooft Jordan Kendall Kibble Lamb Landau Lee Majorana Mills Nambu Nishijima Parisi Polyakov Salam Schwinger Skyrme Sudarshan Tomonaga Veltman Ward Weinberg Weisskopf Weyl Wilczek Wilson Yang Yukawa

Vakum enerjisi

Casimir etkisinin nedenleri, elektromanyetik alan gibi çeşitli temel alanların tümünün uzayda her noktada ölçülmesi gerektiğini belirten kuantum alan teorisi ile tanımlanmaktadır. Basitleştirilmiş bir görünümde, fizikteki bir "alan", boşluklar birbirine bağlı titreşimli toplar ve yaylarla doldurulmuş gibi düşünülebilir ve alanın gücü, bir topun dinlenme konumundan hareket etmesi olarak görselleştirilebilir. Bu alandaki titreşimler yayılır ve söz konusu alan için uygun dalga denklemi tarafından yönetilir. Kuantum alan teorisinin ikinci nicelleştirilmesi, bu tür her bir bilya yayı kombinasyonunun nicelendirilmesini, yani, alanın kuvvetinin, uzayda her noktada ölçülmesini gerektirir. En temel seviyede, uzayda her noktadaki alan basit bir harmonik osilatördür ve miktarının belirlenmesi her noktaya bir kuantum harmonik osilatör yerleştirir. Alanın dışlamaları, parçacık fiziğinin temel parçacıklarına karşılık gelir. Bununla birlikte, vakum bile çok karmaşık bir yapıya sahiptir, bu nedenle tüm kuantum alanı teorisi hesaplamaları, vakumun bu modeline göre yapılmalıdır.

Vakum, dolaylı olarak, bir partikülün sahip olabileceği tüm özelliklere sahiptir: ışık, enerji vb. Durumlarda dönüş veya polarizasyon. Ortalama olarak, bu özelliklerin çoğu iptal eder: vakum, sonuçta, bu anlamda "boştur". Önemli bir istisna, vakum enerjisi veya enerjinin vakum beklentisi değeridir. Basit bir harmonik osilatörün nicelendirilmesi, böyle bir osilatörün sahip olabileceği en düşük enerjinin veya sıfır noktalı enerjinin olduğunu

${E}={\begin{matrix}{\frac {1}{2}}\end{matrix}}\hbar \omega \ .$

Olası tüm osilatörleri uzayda tüm noktalarda toplamak sonsuz bir miktar verir. Sadece enerji farklılıkları fiziksel olarak ölçülebilir olduğundan (kuantum alan teorisinin kapsamı dışında kalan önemli çekim hariç), bu sonsuzluk fiziğin değil matematiğin bir özelliği olarak düşünülebilir. Bu argüman renormalizasyon teorisinin temelini oluşturur. Bu şekilde sonsuz niceliklerle uğraşmak, süreç için doğal bir temel sağlayan ölçek dönüşümleri için matematiksel bir biçimselleştirme olan 1970'lerde gelişmeden önce kuantum alan teorisyenleri arasında yaygın bir rahatsızlık yarattı.

Fiziğin kapsamı yerçekimi içerecek şekilde genişletildiğinde, bu resmi olarak sonsuz miktarın yorumlanması sorunlu kalır. Şu anda, neden gözlemlenenden daha büyük bir büyüklük sırası olan kozmolojik bir sabitle sonuçlanmaması gerektiğine dair zorlayıcı bir açıklama yoktur. Bununla birlikte, henüz tam olarak tutarlı bir kuantum çekim teorisi olmadığından, aynı şekilde neden olması gerektiğine dair zorunlu bir sebep yoktur.

Fermantasyonlar için Casimir etkisi, Fermantasyon operatörünün $(-1)^{F}$ spektral asimetrisi olarak anlaşılabilir; burada Witten endeksi olarak bilinir.

Göreceli van der Waals kuvveti

Alternatif olarak, MIT'den Robert Jaffe tarafından yayınlanan 2005 tarihli bir yazı, "Casimir etkileri formüle edilebilir ve Casimir kuvvetleri, sıfır nokta enerjilerine referans olmadan hesaplanabilir. Bunlar, göreceli, yükler ve akımlar arasındaki kuantum kuvvetleridir. Paralel plakalar arasındaki Casimir kuvveti (birim alan başına) alfa olarak kaybolur, ince yapı sabiti sıfıra gider ve alfadan bağımsız görünen standart sonuç alfa yaklaşan sonsuzluğa karşılık gelir "ve" Casimir kuvveti basitçe (göreceli, gecikmeli) van der Waals, metal plakalar arasındaki kuvvettir.” Casimir ve Polder'in orijinal makalesi, Casimir-Polder kuvvetini türetmek için bu yöntemi kullandı. 1978'de Schwinger, DeRadd ve Milton, iki paralel plaka arasında Casimir Etkisi için benzer bir türev yayınladı. Aslında, van der Waals kuvvetleri cinsinden açıklama, temel mikroskobik bakış açısına sahip tek doğru tanımdır, Casimir kuvvetinin diğer tanımları ise yalnızca etkili makroskopik tanımlardır.