Ученые в последние несколько лет, пытаются доказать что зависимость от ископаемого топлива человеку вообще не нужна.

Они утверждают, что мы продолжаем бороться за источники энергии, разрушать окружающую среду и вредить матери-Земле. Продолжаем использовать те же старые методы, которые генерируют триллионы долларов для тех, кто находится на вершине энергетической промышленности. Корпоративные СМИ продолжают продвигать идею о том, что мы находимся в энергетическом кризисе, что мы приближаемся к серьезной проблеме из-за нехватки ресурсов.

Концепция энергии нулевой точки

Отдельные ученые утверждают, что одна и та же группа акционеров, которые владеют энергетикой, также владеют корпоративными СМИ. Как представляется, это является еще одной тактикой страха и еще одним оправданием неиспользования свободной энергии. Например, используется на практике.

Как может быть нехватка ресурсов, когда у нас есть системы, которые могут обеспечить ресурсы без внешнего заимствования? Это означает, что эти системы могут работать бесконечно и обеспечивать ресурсами всю планету без сжигания ископаемого топлива. Это устранит большую часть «счетов», которые люди платят за жизнь, и уменьшит вредное воздействие, которое мы оказываем на землю и ее окружающую среду.

Даже если Вы не верите в концепцию свободной энергии (также известной как энергия нулевой точки), у нас есть несколько чистых источников, которые делают всю энергетику устаревшей.

Эта статья будет сосредоточена главным образом на концепции свободной энергии, которая была доказана исследователями по всему миру, которые провели эксперименты и опубликовали свои работы.

Однако, если бы новые энергетические технологии были свободны во всем мире, изменения были бы глубокими. Это повлияло бы на всех, это было бы применимо везде. Эти технологии-абсолютно самое главное, что произошло в истории мира.

Сила энергии Казимира

Эффект Казимира — это доказательство примера свободной энергии, который не может быть опровергнут.

Энергия была предсказана немецким физиком-теоретиком Генрихом Казимиром в 1948 году, но не получена экспериментально, из-за отсутствия на тот момент технологий.

Эффект Казимира иллюстрирует энергию нулевой точки или вакуумного состояния, который предсказывает, что две близкие друг к другу металлические пластины притягиваются из-за дисбаланса в квантовых флуктуациях.

Последствия этого являются далеко идущими и были подробно написаны в теоретической физике исследователями во всем мире. Сегодня мы начинаем видеть, что эти понятия не только теоретические, но и практичные.

Вакуумы, как правило, считаются пустотами, но Хендрик Казимир считал, что они не содержат колебаний электромагнитных волн. Он предположил, что две металлические пластины, удерживаемые в вакууме, могут поглощать волны, создавая энергию вакуума, которая могла бы притягивать или отталкивать пластины.

Если расположить две пластины в вакууме, то они притягивают друг друга и эта сила была названа эффектом Казимира как энергия вакуума (нулевых колебаний). Недавние исследования, проведенные в Гарвардском университете и университете в Амстердаме и в других местах подтвердили правильного эффекта Казимира.

Однако сила Казимира очень слаба и обнаруживается если тела разнесены на несколько микрон и резко увеличивается если тела приближаются на расстояние меньше микрона.

На расстоянии 10 нм (сотни размера типичного атома) сила Казимира сравнима с атмосферным давлением.

КАЗИМИРА ЭФФЕКТ, общее название широкого круга явлений, обусловленных флуктуациями вакуумного состояния поля (в частности, электромагнитного) при наличии границ или изменении геометрии (топологии) пространства. Диапазон областей физики, в которых проявляется Казимира эффект, очень широк - от статистической физики до физики элементарных частиц и космологии.

Впервые влияние квантовых флуктуаций электромагнитного поля на взаимодействие электрически нейтральных макроскопических тел предсказал нидерландский физик-теоретик Х. Казимир (1948). Он рассчитал, что вследствие квантовых флуктуаций поля в основном (вакуумном) состоянии две плоскопараллельные, идеально проводящие незаряженные пластины, разделённые в вакууме зазором шириной L, при абсолютном нуле температуры должны притягиваться с силой F на единицу площади:

F = - 0,0065hc/L 4 , (*)

где h - постоянная Планка, с - скорость света в вакууме. Более общая формула для силы притяжения двух диэлектрических слоёв, учитывающая зависимость диэлектрической проницаемости от частоты поля, была получена Е. М. Лифшицем в 1954 году. Сила Казимира F очень мала для расстояний, превышающих несколько микрометров, однако с уменьшением расстояния она быстро растёт и для L = 0,01 мкм (порядка ста атомных размеров) эффективное отрицательное давление F достигает почти 1,3·10 6 Па (13 атмосфер). Поэтому учёт сил Казимира важен при конструировании различных электромеханических устройств микро- и наноразмеров. Иногда силы Казимира рассматривают как проявление ван-дер-ваальсовых сил притяжения на «больших» (в атомной шкале) расстояниях, когда нельзя пренебречь запаздыванием электромагнитного взаимодействия.

Первые эксперименты по проверке формул Казимира и Лифшица, поставленные в 1950-х годах, качественно подтвердили наличие силы притяжения между плоской и сферической поверхностями из кварца (И. И. Абрикосов, Б. В. Дерягин) и между металлическими плоскими пластинами (М. Спарнай, Нидерланды). Существенно повысить точность и надёжность измерений малых сил (вплоть до 10-12 Н) и расстояний (в диапазоне 0,1-6 мкм) удалось лишь в конце 1990-х годов благодаря появлению новых инструментов и технологий, таких как атомный силовой микроскоп и микроэлектромеханические системы. Наилучшая достигнутая точность составляет около 1%. Получено удовлетворительное согласие между теорией и экспериментом, хотя некоторые детали (например, зависимость сил от температуры на расстояниях, превышающих несколько мкм) требуют уточнения. Реальная сила взаимодействия существенно зависит от материала и свойств поверхностей, так что даже для хороших проводников (золото, медь) её величина может отличаться от значения, вычисленного по формуле (*), на десятки процентов.

В 1959 году И. Е. Дзялошинский, Е. М. Лифшиц и Л. П. Питаевский предсказали возможность появления отталкивающей силы в слоистых структурах с разными диэлектрическими проницаемостями. Впоследствии было найдено много других моделей и геометрических конфигураций, допускающих такую силу, например, при комбинации идеальных проводника и магнетика или различных структур из метаматериалов (искусственных сред с отрицательным коэффициентом преломления). Однако экспериментальных подтверждений теоретических результатов пока нет, хотя этот вопрос актуален в связи с разработкой микро- и наноэлектромеханических устройств.

Казимира эффект играет важную роль в космологии в связи с тем, что в рамках квантовой теории поля при нулевой температуре возникает ненулевая вакуумная плотность энергии. Это имеет большое значение для решения проблемы космологической постоянной и связано с инфляционной моделью Вселенной. Казимира эффект весьма существен в физике адронов: при расчёте их свойств должна учитываться казимировская энергия кварковых и глюонных полей. Казимира эффект учитывается в суперсимметричных теориях поля и моделях типа Калуцы - Клейна теории при анализе механизмов спонтанной компактификации дополнительных пространственных измерений.

Если поверхности, ограничивающие поле, движутся или их свойства зависят от времени, то говорят о нестационарном (или динамическом) Казимира эффекте, ярким проявлением которого могло бы быть рождение фотонов из вакуума вследствие движения границ электрически нейтральных макроскопических тел. Этот эффект ещё не обнаружен, поскольку предсказываемое количество рождённых фотонов пропорционально квадрату отношения характерной скорости движения к скорости света, то есть очень мало. Однако это число можно увеличить на много порядков благодаря квантовой интерференции, если заставить границу колебаться с достаточной амплитудой и периодом, близким к половине периода колебаний выбранной моды электромагнитного поля, используя эффект параметрического резонанса. Такой эксперимент реален для частот в области нескольких гигагерц.

Лит.: Бараш Ю. С. Силы Ван-дер-Ваальса. М., 1988; Мостепаненко В. М., Трунов Н. Н. Эффект Казимира и его приложения. М., 1990; Bordag М., Mohideen U., Mostepanenko V. М. New developments in the Casimir effect // Physics Reports. 2001. Vol. 353. №1-3.

Около 50 лет назад Генрих Казимир обнаружил, что в вакууме между двумя поверхностями существует определённая Эта сила может создать настоящую революцию в науке.

Если взять два зеркала и установить их в пустом пространстве, между ними начинается притяжение, поскольку между ними есть вакуум. Этот феномен был открыт Казимиром в 1948 г., когда он занимался в научном центре в Эйндховене. Данный феномен был назван эффектом Казимира, а сила, которая возникает между двумя зеркалами - силой Казимира.

Долгое время считалось, что эффект Казимира - это не более чем занятная теория. Однако за последнее время наблюдается повышенный интерес к данному явлению. Было установлено, что сила Казимира напрямую влияет на микроскопические механизмы, а благодаря прогрессу в техническом оснащении эту силу можно измерить с повышенной точностью.

Данный эффект может представлять определённый интерес для фундаментальной физики. Существует много теорий, в соответствии с которыми есть протяженные дополнительные измерения в десятимерных и одиннадцатимерных теориях. В соответствии с данными теориями, наблюдается определённое отклонение от стандартной гравитации Ньютона на расстояниях в мельчайшие доли миллиметра. Следовательно, измеряя действие эффекта Казимира, можно проверить данные гипотезы.

Изучение Казимиром коллоидных растворов

Работая в научном центре в Эйндховене, Казимир исследовал свойства, характерные для Это вещества с высоким показателем вязкости, в которых есть частицы размером с микрон. Их свойства определяют Ван-дер-Ваальсовы силы - это дальнодействующие силы притяжения, которые возникают между молекулами и атомами, являющимися нейтральными.

Тео Овербек, коллега Казимира, отметил, что теория Фрица Лондона для описания сил Ван-дер-Ваальса не может дать корректную оценку данным экспериментов. Он попросил Казимира, чтобы тот поработал над данной проблемой. Казимиром было обнаружено, что невозможно правильно описать взаимодействие, наблюдающееся между 2-мя нейтральными молекулами, исходя из того, что постоянна.

После этого ученый отметил, что данный результат можно описать, если учесть флуктуации атома. Флуктуация - это термин, которым характеризуется все виды колебаний и периодических изменений. Тогда учёный подумал, что вместо двух молекул можно установить два зеркала, которые были бы повёрнуты друг к другу отражающими сторонами. Так он и предсказал силу притяжения, которая существует между отражающими пластинами.

Динамический эффект Казимира

В соответствии с квантовой теорией, вакуум не является обычной пустотой. В нём регулярно наблюдаются энергетические флуктуации - виртуальные частицы и античастицы рождаются и погибают. Они способны оказывать давление. Данное явление получило название "статический эффект Казимира". Оно было доказано экспериментами. Однако теоретически есть ещё динамический эффект Казимира - трансформация вакуумных флуктуаций в реальные частицы (например, фотоны). Именно этот эффект наблюдался учёными.

При динамическом эффекте Казимира должно было происходить колебание зеркал, при этом их скорость должна была сопоставимой со скоростью света. Для этого физикам пришлось установить в сильном магнитном поле металлические поверхности. Скорость колебания этого поля составляла одиннадцать миллиардов раз за секунду. Поверхности начали деформироваться со скоростью, которая составила 5 % от световой, и на выходе было зарегистрировано появление фотонов. Судя по свойствам фотонов, можно было утверждать, что они возникали парами.

Наблюдение эффекта Казимира. Нулевые колебания квантовых полей

Эффект Казимира также, как лэмбовский сдвиг, является проявлением наличия квантовополевого электромагнитного вакуума, заполненного флуктуациями электромагнитного поля. В случае лэмбовского сдвига этот вакуум искажался кулоновским полем ядра, что перераспределяло энергии флуктуаций в зависимости от расстояния до ядра (так называемая поляризация вакуума). Неоднородная поляризация вакуума, в свою очередь, приводила к зависимости величины лэмбовского сдвига энергии электрона от его расстояния до ядра. Самые близкие к ядру ‑электроны имели наибольший сдвиг из-за взаимодействия с флуктуациями.

В случае эффекта Казимира неоднородность флуктуаций создается проводником (или даже диэлектриком), помещенным в вакуум . Мы будем рассматривать классический пример эффекта Казимира - взаимодействие двух бесконечных параллельных идеально проводящих пластин в вакууме. Из-за идеальной проводимости этих пластин электрическое поле внутри них должно отсутствовать, а на их поверхности должно иметь только нормальную составляющую. Эти граничные условия для электрического поля физически обусловлены взаимодействием с электронами проводимости внутри пластин и имеют место как для классического электрического поля, так и для поля вакуумных флуктуаций - как говорят, поля нулевых колебаний . В результате эти нулевые колебания перераспределяются в пространстве между пластинами, а также в пространстве за пластинами . Электромагнитное поле, как и все материальные поля и частицы, имеет энергию, поэтому флуктуации этого поля также обладают энергией. Оказывается, что энергия перераспределенных в пространстве нулевых колебаний электромагнитного поля зависит от расстояния между пластинами ! Другими словами, если мы изменяем расстояние между пластинами, мы изменяем и энергию нулевых колебаний поля между ними и с внешних сторон от пластин. Получается, что при изменении расстояния между пластинами на мы совершаем дополнительную работу на изменение энергии флуктуаций (ведь энергия этих флуктуаций не есть «энергия из ничего», как нередко утверждается!). Чтобы совершить такую работу, мы должны приложить к пластинам силу , такую, что . Отсюда следует очевидный вывод: раз для перемещения пластин мы должны прикладывать к ним дополнительную силу , то на пластины действует сила Казимира , равная

против действия которой нам и приходится работать.

В случае электромагнитного поля эту силу нетрудно вычислить, и она оказывается равной

где - площадь пластин. Знак минус соответствует притяжению пластин. Таким образом, вакуум между пластинами обладает отрицательным давлением (натяжением) , которое и притягивает пластины друг к другу.

Эффект Казимира был предсказан в 1948 году голландским физиком Хендриком Бругтом Герхардом Казимиром (1909–2000) и датчанином Дирком Полдером (1919–2001) на основе другой, эквивалентной модели - а именно, на основе аналогий с силами Ван дер Ваальса. Эти силы дальнодействующего притяжения между атомами приводят к известному даже из школьной программы уравнению Ван дер Ваальса для реального газа и убывают с расстоянием как . Окончательная теория этих сил была создана только в XX веке на основе квантовой механики. Согласно этой теории электронная оболочка атома может виртуально сдвинуться, так, что ее центр окажется на ненулевом расстоянии от ядра. В этом случае центры положительного и отрицательного зарядов в атоме уже не будут совпадать, т.е. у него появится ненулевой дипольный момент . Этот виртуальный дипольный момент создаст виртуальное электрическое поле в пространстве вокруг себя, которое, в свою очередь, будет вызывать такую же дипольную поляризацию других атомов - и, как результат, взаимодействие между ними. В классической физике для реализации данного механизма необходим источник энергии, который будет иногда переводить атомы в неравновесное, поляризованное состояние. Например, таким источником может служить тепловое движение атомов. Тем не менее, опыты показывают, что силы Ван дер Ваальса практически не зависят от температуры - стало быть, этот источник флуктуаций имеет другую природу. Оказалось, что флуктуации имеют квантовую природу и проявляются в считавшемся классическим вандерваальсовском взаимодействии.

Казимир предположил, что точно такой же процесс может иметь место в случае параллельных пластин. Действительно, уединенная пластина остается нейтральной, поскольку перераспределение зарядов на ней создаст электрическое поле, стремящееся снова вернуть ее в равновесное состояние полной электронейтральности. Однако при наличии второй пластины поляризация первой встретит на ней отклик в виде притяжения - и эти отклики, сложенные для всех возможных состояний виртуальной поляризации первой пластины, и должны дать силу их притяжения. Качественно показать это можно с использованием метода отражений. Действительно, пусть на первой пластине возникло элементарное дипольное возбуждение в виде двух равных по модулю и противоположных по величине зарядов (см. рис. выше). Пусть -дипольный момент образовавшейся конфигурации. Тогда сила взаимодействия этого диполя со второй пластиной рассчитывается, если отразить каждый из зарядов относительно последней, изменив при этом их знак. В результате мы получаем дипольный момент , расположенный на расстоянии от первого. Сила взаимодействия этих диполей легко считается, и ее нормальная к пластинам компонента оказывается равной

где знак минус выбран, чтобы подчеркнуть притяжение ко второй пластине.

Между прочим, аналог эффекта Казимира известен в мореплавании: если два судна подойдут достаточно близко борт к борту, то между ними море начинает волноваться слабее, и давление волн с внешних сторон кораблей начинает прибивать их друг к другу. Квантовый эффект Казимира вносит существенный вклад в эффекты, происходящие в малом объеме, в частности, он должен учитываться при расчете энергии ядер. Эффект Казимира также оказывает влияние на физику коллоидных растворов. Эффект Казимира интересен и с точки зрения моделей с гравитацией, поскольку вакуум между пластинами обладает локально отрицательной плотностью энергии флуктуаций, а значит, может, по идее, создавать антигравитационный эффект. По этой причине казимировский вакуум относят к так называемой экзотической материи . Такая материя необходима, например, для стабилизации кротовых нор (тоннелей в пространстве-времени), поэтому в теории таких образований эффект Казимира занимает важное место. В казимировском вакууме также предсказывается сверхсветовое распространение электромагнитных волн (так называемый эффект Шарнхорста). Однако этот эффект очень мал и поэтому пока не наблюдался в эксперименте.

Первые экспериментальные оценки по эффекту Казимира, обладавшие точностью порядка , были получены через 10 лет после появления его гипотезы. В частности, первый эксперимент с параллельными пластинами поставил в 1958 году Маркус Спаарней. Он использовал конденсатор, составленный из двух параллельных пластин, верхняя из которых была подвешена на пружине. При подведении к конденсатору напряжения на его пластинах наводится заряд , и пружина растягивается, пока сила Казимира, сила электростатического притяжения, сила тяжести и сила ньютоновского притяжения между пластинками (да, ее тоже надо учитывать!) не уравновесят силу упругости со стороны растянутой пружины. Соответствующее уравнение для точки равновесия имеет вид.

Сила Казимира Термин сила Казимира Термин на английском Casimir forces Синонимы эффект Казимира Аббревиатуры Связанные термины Определение сила, обусловленная наличием граничных условий вторичного квантования нулевых колебаний электромагнитного поля в вакууме. В частном случае двух незаряженных проводящих параллельных пластин является силой притяжения их друг к другу.
Описание

По макроскопическим меркам сила Казимира ничтожно мала. Однако, для объектов размером в несколько нанометров и обладающих, соответственно, крайне малой массой, сила Казимира становится весьма заметной и ее приходится учитывать при проектировании наноэлектромеханических устройств (НЭМС).

В рамках оригинальных расчетов, проведенных голландскими учеными Хендриком Казимиром и Дирком Полдером в 1948 г. (), предполагалось наличие двух незаряженных идеально проводящих металлических пластин, находящихся на расстоянии a друг от друга. В этом случае силу F , отнесенную к единице площади А , можно рассчитать как:

Наличие постоянной Планка (? = 1,05*10 -34 Дж*с) в числителе этой дроби и обуславливает её чрезвычайную малость.

Чтобы пояснить физический смысл этой силы, следует вспомнить, что, в соответствии с постулатами квантовой механики устойчивые значения энергии частицы определяются стационарным уравнением Шредингера:

В случае, если частица находится в произвольном потенциальном поле и способна совершать свободные колебания (осцилляции), а потенциал возвращающей силы описывается степенной функцией с четным показателем (т.е. параболой), решение уравнения дает следующие собственные значения энергии E :

где ? - собственная частота колебаний осциллятора, а ?? - квант, равный разности энергий уровней с числами квантов n и n-1 . Это выражение называют решением уравнения Шредингера для гармонического осциллятора. Из этого решения видно, что даже если число квантов энергии в осциллаторе n =0, энергия гармонического осциллятора равна не нулю, а ??/2 . Величину ??/2 назвали нулевыми колебаниями гармонического осциллятора.

Если распространить данную логику на кванты электромагнитного излучения - фотоны (и использовать подход вторичного квантования , в котором используются операторы рождения и уничтожения фотонов), то в некотором приближении возникновение силы Казимира можно объяснить так: в отсутствие каких-либо объектов все пространство физического вакуума заполнено бесконечным числом гармоник нулевых колебаний электромагнитного поля (даже в отсутствие фотонов, как было показано выше, энергия вакуума не будет равна нулю) с, соответственно, бесконечным набором длин волн.

Наличие двух проводящих пластин ограничивает пространство таким образом, что на их поверхности поперечная компонента электрического поля и нормальная компонента магнитного поля становятся равными нулю. То есть, между пластинами возникает стоячая волна с длиной волны 2a/ k, где k - номер гармоники (1, 2, 3 и т.д.). В то же время, снаружи пластин пространство физического вакуума осталось невозмущенным, и оно-то и оказывает давление на пластины, стремясь приблизить их друг к другу.

Первые эксперименты по обнаружению силы Казимира были поставлены уже в 1958 г. (), однако, их точность была очень низкой. Более точно силу Казимира удалось измерить в Стиву Ламоро в 1997 г. ().

• Лурье Сергей Леонидович, к.ф.-м.н.

Ссылки

1. Casimir H. B. G., and Polder D. The Influence of Retardation on the London-van der Waals Forces//Physical Review - 1948. vol. 73 (4). - pp. 360–372
2. Sparnaay M.J. Measurement of attractive forces between flat plates//Physica - 1958. vol. 24 (6-10) - pp. 751 - 764
3. Lamoreaux S. K. Demonstration of the Casimir Force in the 0.6 to 6 µm Range//Phys. Rev. Lett. - 1997. vol. 78 (1) - pp. 5–8

Иллюстрации Теги Разделы

Энциклопедический словарь нанотехнологий. - Роснано . 2010 .

Смотреть что такое "сила Казимира" в других словарях:

Эффект Казимира эффект, заключающийся во взаимном притяжении проводящих незаряженных тел под действием квантовых флуктуаций в вакууме. Чаще всего речь идёт о двух параллельных незаряженных зеркальных поверхностях, размещённых на близком… … Википедия

Силы Казимира

Совокупность физ. явлений, обусловленных специфической поляризацией вакуума квантованных полей вследствие изменения спектра нулевых колебаний в областях с границами и в пространствах с нетривиальной топологией. Предсказан X. Казимиром в 1948 … Физическая энциклопедия

Пожалуйста, актуализируйте данные В этой статье данные предоставлены преимущественно за 2007 2008 гг … Википедия

Casimir Forces - Casimir Forces Силы Казимира Сила притяжения, действующая между двумя параллельными идеальными зеркальными поверхностями, находящимися в абсолютном вакууме. Сила Казимира чрезвычайно мала. Расстояние, на котором она начинает быть сколько… … Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. - М.

Фоковское состояние это квантовомеханическое состояние с точно определённым количеством частиц. Названо в честь советского физика В. А. Фока. Содержание 1 Свойства фоковских состояний 2 Энергия состояний … Википедия

Великий князь всея Руси, называемый также иногда Великим, старший сын великого князя Василия Васильевича Темного и супруги его, великой княгини Марии Ярославны, внучки кн. Владимира Андреевича Храброго, род. 22 января 1440 г., в день памяти… … Большая биографическая энциклопедия

В этой статье векторы выделены жирным шрифтом, а их абсолютные величины курсивом, например, . В классической механике вектором Лапласа Рунге Ленца называется вектор, в основном используемый для описания формы и ориентации орбиты, по… … Википедия

В этой статье векторы и их абсолютные величины выделены жирным шрифтом и курсивом, например, . В классической механике вектором Лапласа Рунге Ленца называется вектор, в основном используемый для описания формы и ориентации орбиты, по которой… … Википедия