ЗА СТРАНИЦАМИ УЧЕБНИКА
Взлететь подобно Ариэлю поможет эффект Казимира?
Слышал, что американские ученые открыли новый принцип полета, используя так называемый эффект Казимира. В учебниках об этом эффекте ничего нет. Не могли бы вы прояснить суть дела. И кто такой Казимир?..
Сергей Калинин, г. Красноярск
Открытие, о котором идет речь, принадлежит группе исследователей под руководством Федерико Капассо, профессора прикладной физики Инженерной школы Гарвардского университета.
Сделано оно было в общем-то случайно: не помышляя о полетах, ученые вели работы по усовершенствованию миниатюрных датчиков для автомобильных подушек безопасности.
Такие подушки, как известно, должны автоматически надуваться при резком торможении автомобиля или его соударении с препятствием. Включает механизм надувания специальный сенсор, реагирующий на ускорение. Обычно в таких устройствах используют миниатюрные шарики, подвешенные на пружинках, но профессор Капассо и его сотрудники хотели создать сверхминиатюрные и надежные нанодатчики из тончайших металлических пластин. И тут они натолкнулись на эффект, названный по имени голландского физика-теоретика Хендрика Казимира, заметившего еще в 1948 году: если в вакууме близко друг от друга разместить два токопроводящих тончайших лепестка, то даже без электричества между ними возникает взаимное притяжение.
Схема эффекта Казимира:
1 — пластинки, 2 — вакуумные флуктуации.
Эта сила притяжения, позднее названная силой Казимира, прямо пропорциональна площади пластин и обратно пропорциональна 4-й степени расстояния между ними. Возникает же она так. Согласно квантовой теории поля, физический вакуум — это не абсолютная пустота. В нем постоянно рождаются и исчезают пары частиц и античастиц, происходят постоянные колебания (флуктуации) связанных с этими частицами полей — например, электромагнитных.
Однако между близко расположенными поверхностями — теми самыми тончайшими лепестками — возникают колебания не всех частот, как снаружи, а в сравнительно узком диапазоне. Получается, что давление снаружи больше, чем между лепестками, и они стремятся слипнуться.
Нечто подобное происходит, когда два корабля сближаются бортами. Между кораблями волны невелики, а вокруг волнение куда больше. И корабли — моряки хорошо это знают — могут столкнуться друг с другом.
С обыденной точки зрения сила Казимира чрезвычайно мала. Если держать пластинки друг от друга на расстоянии хотя бы двух миллиметров, она вовсе незаметна. Расстояние, на котором сила начинает ощущаться, составляет несколько микрон. Однако, будучи обратно пропорциональной 4-й степени расстояния, она очень быстро растет с его уменьшением. На расстояниях порядка 10 нанометров — сотни диаметров типичного атома — давление, создаваемое эффектом Казимира, оказывается сравнимым с атмосферным. И нанопластинки в опытах профессора Капассо слипались без всякого на них воздействия.
Все это очень мешало созданию миниатюрных сенсоров. И Федерико Капассо с коллегами стал думать, как избавиться от этого эффекта. И здесь профессору повезло. Один из его сотрудников нашел публикацию российских ученых, в которой говорилось, что эффект Казимира можно снизить и даже нейтрализовать, используя правильную комбинацию материалов.
Более тщательные исследования показали, что, если использовать вместо плоских пластин комбинации сфер и плоскостей или объектов еще более сложных форм, можно добиться, что сила притяжения в какой-то момент даже поменяет свой знак и станет силой отталкивания.
Этими результатами, в свою очередь, воспользовались профессор Ульф Леонард и доктор Томас Филбин из университета Святого Эндрюса в Шотландии. Они разработали теорию, которая позволяет выявить условия, при которых сила Казимира меняет свой знак.
Что, как говорится, и требовалось доказать. Крошечные датчики перегрузок, созданные на основе «антиэффекта Казимира», и в самом деле оказались более чувствительными и надежными.
Аналог эффекта Казимира: параллельно плывущие корабли могут столкнуться бортами.
Но на том дело не кончилось. «Нами сделан лишь первый шаг, — говорит профессор Капассо. — В будущем на основе вновь открытого эффекта можно ожидать создания левитирующих устройств, которые совершат подлинную революцию на транспорте».
И в самом деле, сила взаимного отталкивания пластин вызывает эффект поддержания их в воздухе, иными словами — эффект левитации. При этом левитирующие объекты могут перемещаться друг относительно друга с практически полным отсутствием трения. Ученые уверены, что это пригодится при создании антифрикционных покрытий для микромашин и отдельных узлов нанороботов.