Ученые из Калифорнии впервые смогли с помощью квантового шума передать тепло через вакуум на достаточно большое расстояние – несколько сотен нанометров. Свой эксперимент ученые описали в статье для научного журнала Nature. “Тепло обычно передается через твердые тела в виде фононов, вибраций атомов или молекул. В вакууме подобной среды нет, и поэтому во всех учебниках написано, что тепло не может передаваться через безвоздушное пространство. Удивительно, но мы показали, что фононы могут передаваться через вакуум благодаря невидимым квантовым колебаниям”, – прокомментировал работу один из ее авторов, профессор Калифорнийского университета в Беркли Сян Чжан. Как считают ученые, вакуум нельзя назвать абсолютно пустым и безжизненным пространством. В реальности, как об этом говорят законы квантовой физики, он заполнен множеством непрерывно рождающихся и исчезающих пар виртуальных частиц и античастиц.

Ученые называют это квантовым шумом. Расчеты специалистов показывают, что он должен влиять на поведение всех остальных объектов микро- и макромира.

Яркий пример этого – так называемый эффект Казимира. Он проявляется в том, что две тонких пластинки из металла, которые плавают на небольшом расстоянии друг от друга в вакууме, должны притягиваться друг к другу. Это должно происходить за счет колебаний (флуктуаций) в энергии вакуума, которые связаны с появлением и самоуничтожением этих виртуальных частиц. Силу притяжения в этом случае называют силой Казимира.

Многие ученые считают, что эффект Казимира уже подтвердили экспериментально, в 2011 и 2012 годах, однако некоторые скептики продолжают сомневаться в его существовании.

Крик в пустоту

Чжан и его коллеги нашли новое подтверждение того, что сила Казимира существует. Ученые приспособили ее для того, чтобы передать тепло в вакууме между двумя колеблющимися пластинками из карбида кремния, покрытого золотом, через достаточно большие расстояния.

Для этих наблюдений ученые создали целый комплекс сверхчувствительной аппаратуры, благодаря которой они создали почти идеальный вакуум, очень точно замерять температуру нагреваемых пластинок, а также отсекать все побочные факторы, которые влияют на их поведение.

Используя эти приборы, физики подобрали такую толщину пластинок, при которой их тепловые колебания начали передаваться через вакуум благодаря тому, что пары виртуальных частиц взаимодействовали с их атомами и молекулами. В некоторых случаях эти вибрации достигали второй пластинки и разогревали ее даже в тех случаях, когда она находилась на расстоянии в несколько сотен нанометров.

Как отмечает Чжан, сам факт подобной передачи вибраций атомов и молекул крайне важен с той точки зрения, что все другие возможные формы передачи тепла, такие как туннелирование фотонов или давление электромагнитного излучения, на таком расстоянии либо не работают, либо должны проявлять себя гораздо слабее. Это не только доказывает то, что эффект Казимира существует, но и говорит о том, что его можно применять на практике для охлаждения компонентов электроники и наномашин.

“25 лет назад профессор, принимавший у меня экзамен, спросил, почему я могу слышать его голос. Я ответил, что это происходит благодаря вибрациям молекул воздуха. В ответ он поинтересовался, буду ли я слышать его, если удалить все эти молекулы. Сейчас я могу сказать, что мой “правильный” ответ был ошибочным – наши опыты с передачей тепла показывают, что мы действительно можем кричать через вакуум”, – подытожил Чжан.

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.

Эксперименты и доказательства

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.

От нанометров к космическим путешествиям

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.

Источник: https://nauka.tass.ru/, https://hi-news.ru/

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!