A "semmi" ereje – még pontosabban




Ehhez a 200 mikron átmérőjű, mikroszkopikus tartórácsra ragasztott gömböcskéhez 100 nanométerre közelítettek egy síklemezt (ez a képen nem látható), hogy megmérjék a köztük fellépő Casimir-erőt.
Mint arról régebben már beszámoltunk (lásd lapunk 1997. évi 14. számát. – A szerk.) két évvel ezelőtt Steven Lamoreaux-nak, az új-mexikói Los Alamos Nemzeti Laboratórium kutatójának sikerült első ízben kísérletileg is kimutatnia a "semmi" erejét, azaz a Hendrik Casimir holland fizikus által elméletileg megjósolt úgynevezett Casimir-effektust. Most két másik amerikai kutató, Umar Mohideen és Anushree Roy, a California Egyetem munkatársai arról számoltak be, hogy nem csak a mérés pontosságát növelték meg csaknem egy nagyságrenddel, hanem a jelenségnek a geometriai elrendezéstől való függését is sikerült igazolniuk.
A Casimir-effektus akkor lép fel, ha vákuumban két síktükröt szorosan (a fény hullámhosszával összemérhető távolságra) és egymással párhuzamosan szembeállítanak: a felületek között egy gyenge vonzóerő lép fel. Ez jellegzetes relativisztikus kvantumfizikai (kvantumelektrodinamikai) jelenség, amely abból adódik, hogy az elmélet szerint a vákuum nem teljesen üres, hanem véletlenszerűen és nagyon rövid időre úgynevezett virtuális elektron-pozitron párok, illetőleg fotonok jelennek meg, majd tűnnek el benne. A vákuum homogenitását a beléhelyezett tükrök megbontják: a két tükör lényegében olyan "üregrezonátort" alkot, amelyben csak meghatározott frekvenciájú virtuális fotonok (illetőleg ennek megfelelő energiájú elektron-pozitron párok) jöhetnek létre. A tükrökön kívül azonban nincs ilyen megszorítás, ezért a virtuális részecskék sűrűsége itt nagyobb lesz, mint a tükrök közötti tartományban. Ennek eredményeképpen a tükrök felületén kívülről befelé ható nyomás lép fel, amely a tükrök közötti vonzóerőként is értelmezhető.
Elméletileg az is kiszámítható, hogy az erő nagysága és iránya függ az elrendezés geometriájától: például ha a síktükrök helyett gömbtükröket állítanak egymással szembe, akkor az erő taszítóvá válik, mintha ezek a felületek megnövelnék a köztük lehetséges virtuális állapotok számát.
Mohideen és Roy a mérést atomi térerő mikroszkóppal (AFM) végezték el, amellyel akár 10-18 newton nagyságú erőhatások is kimutathatók. Az erő hatására a berendezésben egy mikroszkopikus tartórács lehajlik, a lehajlás mértékét lézeres méréssel határozzák meg. A kutatók egy alumínium bevonatú, 200 mikron átmérőjű gömböcskét ragasztottak a tartórácsra, majd a gömböcskéhez egy alumínim bevonatú síklemezt közelítettek. Miközben a két felület távolságát 900 és 100 nanométer között változtatták, mérték a lehajlást, és ebből meghatározták a Casimir-erőt. Eközben számos korrekciós tényezőt is figyelembe vettek, például a gömbfelületen összegyűlő többlettöltés elektrosztatikus hatását és a felületek mikroszkopikus egyenetlenségeit. Mohideen szerint az új mérési módszerrel nem csupán a geometriai elrendezéstől való függés mérhető ki a korábbinál egy nagyságrenddel pontosabban, hanem az elmélet által szintén megjósolt hőmérséklettől való függés is. Az eredmény egyébként már önmagában azért is fontos, mert "egy mérés nem mérés" – azaz egy elmélet igazolásához legalább két független mérés szükséges.

(Physical Review Focus)