Предложен е метод за усилване на междуатомните сили на взаимодействие, свързани с квантовите флуктуации на вакуума.
Флуктуациите на вакуума са едно от най-противоречащите на здравомислието явления от квантовата физика.
То се заключава в това, че вакуумът далеч не е толкова празен, колкото си мислим.
Всъщност това „празно пространство“ представлява кипяща супа от раждащи се и загиващи различни виртуални частици и античастици. Това явление е получило названието „флуктуации на вакуума“. Терминът „флуктуация“ означава случайно отклонение от средната стойност.
Ако се намирате на улицата, то едва ли пред вас от нищото ще възникне автомобил, а след това също толкова неочаквано ще изчезне. Ако вашата кола изчезне от паркинга, то няма да е поради флуктуациите на вакуума. Обектите от макрокосмоса не изчезват и не се появяват, нарушавайки закона за съхранение на енергията. В света на квантовата физика обаче всичко е малко по-сложно.
В съответствие с принципа на неопределеност на Хайзенберг за много кратко време могат да се раждат частици, получили наименованието виртуални. Колкото по-висока е тяхната енергия, толкова по-бързо ще изчезнат. Обикновено такива изключително кратко живеещи частици остават напълно незабелязани, но в някои случаи породените от тях „вакуумни“ сили могат да дават забележим ефект, който да бъде измерен.
Сред виртуалните частици има преносители на електромагнитното взаимодействие – фотоните. Раждането и гибелта на виртуалните фотони поражда флуктуации на електричните полета, които поляризират неутралните атоми и молекули, правейки ги електрически диполи, което може да доведе до сили на привличане между тях.
Тези сили са получили името на Ван дер Ваалс, установил наличието на подобни сили в газовете. С тях често е свързана способността на гущерите да се изкачват по плоски повърхности.
Два атома обменят виртуални фотони. Празното пространство около тях не е толкова празно, както може да си помислим. © TU Vienna
Още един пример за „вакуумни“ сили се явява прочутият ефект на Казимир. Физикът Хендрик Казимир изчислил през 1948 година, че две успоредни огледала в празно пространство могат да се привличат взаимно благодарение на това, че влияят на вакуума около тях.
Цялата работа е в това, че между повърхностите се раждат само фотони с резонансни дължини на вълните, с цяло или половин число, притиснати между повърхностите. Благодарение на това между пластините ще се раждат по-малко фотони, отколкото навън, където раждането им не е ограничено от нищо. В резултат на налягането външните виртуални фотони са повече от вътрешните и възниква сила на привличане между огледалата.
Два близки атома също могат да изменят локалния вакуум около тях. Ако един от тях изпуска виртуални фотони, които почти мигновено се поглъщат от други, то това ще доведе до възникване на сили между тях. Но обикновено такива сили са непостоянни поради това, че такъв фотон може да бъде изхвърлен във всяка посока и шансовете на втория атом да бъде погълнат са много малки. Затова е много трудно те да бъдат измерени.
Но ситуацията ще се измени, ако на виртуалната частица се помогне да открие необходимия път. Международен екип физици е изчислил какво ще се случи с „вакуумните“ сили между атомите, когато те се намират в непосредствена близост до стандартен електрически проводник, като например коаксиален кабел или копланарен вълновод (виж схемата), охладен до много ниски температури.
Геометрия на електрическата линия на предаване. (а) – коаксиална линия от два концентрирани метални цилиндъра. (b) – копланарен вълновод от три метални ленти. Взаимодействащите атоми са изобразени с черни точки между проводниците.
В този случай колебанията ефективно се ограничават в една посока. Виртуалните частици ще бъдат принудени да тръгнат в посока към другия атом. При това трябва да настъпи нарастване на величината на силата на няколко порядъка и увеличение на радиуса на нейното действие. Тя сега ще намалява с увеличаване на разстоянието между атомите (r) пропорционално на 1/r3 вместо 1/r7, както в обикновения случай.
Изследователите смятат, че предложеното от тях повишение на мощността на флуктуациите на вакуума може да има трайни последици за разбирането на силите на Казимир и Ван дер Ваалс.
Възможно е това явление да открие приложение в микроелектромеханичните системи, приложенията за квантова обработка на информация и други нови квантови технологии.
Резултатите от изследванията на учените са публикувани в Националната академия на науките на САЩ.
