Американские физики, представляющие Йельский и Сиэтлский университеты и Лос-Аламосскую национальную лабораторию, оценили величину «термальной» силы Казимира.

Обычно эффект, предсказанный нидерландским физиком Хендриком Казимиром в 1948 году, объясняют квантовыми флуктуациями электромагнитного поля в вакууме. Эффект проявляется как притяжение (недавно, впрочем, учёным удалось зарегистрировать и отталкивание) двух расположенных рядом, на микрометровом расстоянии друг от друга, объектов.

Значение «обычной» силы Казимира при абсолютном нуле рассчитывается по довольно простой формуле. Если рассматривать взаимодействие объектов в реальных условиях, необходимо учитывать ещё один механизм возникновения силы — тепловые флуктуации электромагнитного поля. При комнатной температуре на сверхмалых (менее микрометра) расстояниях квантовые флуктуации дают намного более заметный вклад, чем тепловые, однако в случае объектов, разнесённых как минимум на три микрометра, «термальная» сила должна доминировать. Аналогичная ей сила Казимира — Польдера уже измерялась при взаимодействии атома и поверхности, но замеров для двух макроскопических объектов ранее не проводили.

Рис. 1. Новый эксперимент был выполнен в вакуумной камере. (Фото Alex Sushkov).

Авторы проверили предсказания теории на опыте, в котором роль сближающихся объектов сыграли не классические параллельные пластины, а пластина и сфера с золотым покрытием. В такой геометрии, весьма популярной у экспериментаторов, легче контролировать дистанцию. Пластину учёные прикрепили к крутильному маятнику, а сферу приближали к ней на расстояние от 0,7 до 7 мкм. Притяжению объектов противодействовала сила, которая создавалась при подаче напряжения на электроды, расположенные у противоположного конца маятника. Таким образом, измеряемой величиной становилось напряжение, которое балансировало систему.

После введения поправки на электростатическое взаимодействие сферы и пластины физики получили результат, точно соответствующий теоретическим расчётам. Значение «обычной» силы Казимира обратно пропорционально третьей степени расстояния между объектами; в опытах же на удалении, превышающем 3 мкм, была зарегистрирована сила, величина которой, обратно пропорциональная квадрату расстояния, спадает медленнее.

Рис. 2. Результаты измерений, взятые с учётом поправки на электростатическое взаимодействие, в сравнении с теоретической кривой (иллюстрация из журнала Physics).

Полная версия отчёта будет опубликована в статье:

A. O. Sushkov, W. J. Kim, D. A. R. Dalvit & S. K. Lamoreaux Observation of the thermal Casimir force. – Nature Physics. – 2011. – doi:10.1038/nphys1909; Published online 06 February 2011.