В мае этого года группа физиков из Технологического университета Чалмерса в Гётеборге (Швеция) представила экспериментальные данные, которые могут быть интерпретированы как первая демонстрация так называемого динамического эффекта Казимира – рождение микроволновых фотонов из вакуума. В качестве основного элемента экспериментальной схемы был использован сверхпроводящий квантовый интерферометр (СКВИД), идею применения которого для этого эксперимента впервые предложили в ФИАНе.

Как предсказывает квантовая теория, вакуум – вовсе не пустота, а пространство, содержащее множество «виртуальных» (то есть возникающих и почти сразу же исчезающих) частиц.

Эффект Казимира – одно из реальных тому подтверждений. Суть эффекта заключается в том, что близко расположенные незаряженные проводящие зеркала (пластины с гладкой поверхностью) притягиваются друг к другу. Это происходит за счет квантовых флуктуаций в вакууме, а если точнее, то за счет того, что пространство между пластинами ограничено, и виртуальных частиц, в частности, фотонов, между ними рождается меньше, чем вне этого промежутка, отсюда – давление на пластины извне и «притяжение» их друг к другу. Но это касается статического эффекта Казимира.

Помимо него есть еще и динамический или, как окрестили его в 1989 году сотрудники ФИАН, В.И. Манько, А.Б. Климов и В.В. Додонов, нестационарный эффект Казимира. Он проявится в том случае, когда один или каждый из проводников будет двигаться со скоростью, близкой к световой.

«Речь идет о рождении энергии как бы из "ничего». Представим, что у нас есть пустая консервная банка, внутри которой ничего нет, вакуум, все находится при нулевой температуре. А потом мы берем, приставляем с двух сторон два диска и начинаем их перемещать с очень большой скоростью. Внутри вроде бы ничего нет, никаких зарядов, но вдруг наружу начинает пробиваться свет. Это чисто квантовый эффект: если исходя из статического эффекта Казимира, пластинки притягиваются, а мы их наоборот разводим, то значит, совершаем работу против силы притяжения. И эта работа идет как раз на то, чтобы из вакуума, который здесь есть, создать электромагнитное излучение", – рассказывает главный научный сотрудник ФИАН, доктор физико-математических наук, профессор Владимир Манько.

Вообще говоря, сам Казимир, впервые вычисливший силу взаимодействия между двумя неподвижными идеально проводящими пластинками, о том, чтобы эти пластинки двигать, никогда не думал. Первой работой на эту тему стала статья Г.Т. Мура 1970 года. Мур показал, что число рожденных фотонов пропорционально квадрату отношения скорости стенки к скорости света. Но макроскопических, пусть и очень маленьких, зеркал, движущихся с околосветными скоростями, еще никто не создал. В работе 1989 года сотрудники ФИАН, взяв за основу работу Мура и исправив в ней некоторые ошибки (или опечатки), просчитали поправки к обычной силе Казимира, возникающие из-за движения стенок. Сами эти поправки малы, но их можно усилить, используя подходящие резонансные условия.

«Дальше наша деятельность была направлена, главным образом, на вычисление числа фотонов, рождающихся в случае периодического движения стенок. Это оказалось нетривиальной математической задачей, поскольку простое приближенное решение, найденное Муром, абсолютно неприменимо к случаю резонанса. Однако нам эту задачу решить удалось, и удалось раньше других, чем мы до сих пор гордимся. Мы показали, что если заставить стенку совершать строго периодические колебания с частотой, вдвое больше резонансной частоты самой полости, то из начального вакуумного состояния может рождаться очень много фотонов. Позднее эти результаты были подтверждены в работах нескольких других групп», – комментирует сотрудник ФИАН, профессор Института физики в Университете Бразилии, кандидат физико-математических наук Виктор Додонов.

Физический механизм решения относительно прост: при каждом колебании количество рожденных фотонов очень мало, но повторяя эти колебания много раз и поддерживая условия конструктивной интерференции между каждыми новыми порциями «фотонов», можно увеличить их число во много раз.

«Главное в динамическом эффекте Казимира, – продолжает Виктор Додонов, – это быстрое и резонансное изменение параметров квантовой системы, которое ведет к быстрому изменению собственных частот поля, заключенного в какую-то полость. А это уже, в соответствии с законами квантовой механики, приведет к возбуждению первоначально вакуумного состояния и рождению "фотонов». Здесь вся загвоздка в слове «быстро». Наиболее чувствительный объект, у которого можно быстро и сильно изменять параметры, – это так называемый Джозефсоновский контакт, то есть контакт между двумя сверхпроводниками, разделенными слоем диэлектрика, или основанный на нем сверхпроводящий квантовый интерферометр – СКВИД, который мы предложили".

Схема экспериментаторов из Швеции, которые впервые продемонстрировали динамический эффект Казимира, также основана на СКВИДах с быстроменяющимися параметрами; однако они не используют закрытый резонатор, а измеряют поле на выходе из волновода, на закрытом конце которого помещен СКВИД. Это приводит к изменению во времени граничных условий – меняется фаза коэффициента отражения волн от закрытого конца волновода, что также приводит к рождению микроволновых фотонов. Однако никакой движущейся стенки тут нет, нет и полной имитации ее присутствия – фаза коэффициента отражения волн не всегда получается такой же, как в случае движения стенки. И, в конечном счете, все сводится к вопросу – необходимо ли для динамического эффекта Казимира наличие движущейся стенки или достаточно изменения каких-то макроскопических параметров? Участники недавнего семинара International Workshop on Dynamical Casimir Effect, который прошел с 6 по 8 июня в итальянской Падуе, к единому мнению на этот счет не пришли.

Тем временем другая группа ученых, в основном из Института физики им. Галилео Галилея Университета Падуи (Италия), в состав которой входит и сотрудник ФИАН Виктор Додонов, готовит свой эксперимент по демонстрации динамического эффекта Казимира. Его суть основана на определении границы с «точки зрения» электромагнитного поля. С этой позиции идеальная граница – это поверхность с очень большой концентрацией электронов, где поле должно обратиться в нуль. Сдвинуть стенку – означает переместить поверхностный слой электронов на новое место. Однако сдвинуть реальную, скажем, металлическую, стенку крайне энергозатратно. Вместо этого предлагается взять пластинку из полупроводника при низкой температуре, то есть когда в нем практически отсутствуют свободные носители заряда, и прикрепить ее к стенке. Электромагнитное поле с низкими частотами наличие этой пленки не «заметит», но если осветить пластинку лазером с такой длиной волны излучения, чтобы световые фотоны, поглощаясь в полупроводнике, могли родить пары электронов и дырок, то для поля это будет означать перемещение стенки. Выключение лазера и «запуск» процесса рекомбинации родившихся частиц обозначит возвращение стенки в исходное положение. Если этот эксперимент удастся, то сомнений в констатации эффекта возникнуть не должно.