تأثير كازيمير في فيزياء الكم

يمكن للقوة الجاذبة بين سطحين في الفراغ التي تنبأ بها العالم هندريك كازيمير لأول مرة منذ أكثر من 50 عامًا أن تؤثر على كل شيء بدءًا من الآلات الدقيقة وحتى النظريات الموحدة للطبيعة.

ما هو تأثير كازيمير

في فيزياء الكم يعتبر تأثير كازيمير في أبسط أشكاله تفاعلًا جذابًا بين لوحين غير مشحونتين وموصلين بشكل مثالي على مسافة قصيرة، وعادة تكون هذه المسافة أقل من ميكرون، ومن الناحية الكلاسيكية يجب أن تكون الجاذبية هي القوة الجاذبة الوحيدة التي تعمل بين هذه الصفائح.

على الرغم من أن قوة كازيمير قد تبدو صغيرة، إلا أن قوة كازيمير تصبح أقوى قوة بين جسمين محايدين عند مسافات أقل من ميكرومتر، ففي الواقع عند فواصل 10 نانومتر يعني حوالي مائة ضعف الحجم النموذجي للذرة ينتج تأثير كازيمير ما يعادل ضغط جوي واحد.

كيف تم اكتشاف تأثير كازيمير

اذا تم أخذ مرآتين وترتيبهما بحيث يواجهان بعضهما البعض في مساحة فارغة، في الواقع سوف تنجذب كلتا المرآتين لبعضهما البعض من خلال وجود الفراغ البسيط، حيث تم التنبؤ بهذه الظاهرة المذهلة لأول مرة في عام 1948 من قبل الفيزيائي الهولندي هندريك كازيمير أثناء عمله في مختبرات فيليبس للأبحاث في أيندهوفن، حيث تسمى هذه الظاهرة الآن بتأثير كازيمير بينما تُعرف القوة بين المرآتين بقوة كازيمير.

لسنوات عديدة كان تأثير كازيمير أكثر بقليل من فضول نظري، لكن الاهتمام بهذه الظاهرة قد ازدهر في السنوات الأخيرة فلقد أدرك الفيزيائيون التجريبيون أن قوة كازيمير تؤثر على عمل الأجهزة الدقيقة، في حين أن التطورات في الأجهزة مكنت من قياس القوة بدقة أكبر من أي وقت مضى.

كما أطلقت الفيزياء الأساسية الحماس الجديد، حيث تنبأ العديد من المنظرين بوجود أبعاد إضافية كبيرة في نظريات المجال الموحد 10 و 11 بعدًا للقوى الأساسية، حيث أن هذه الأبعاد كما يقولون يمكن أن تعدل الجاذبية الكلاسيكية لنيوتن على مسافات أقل من المليمتر، لذلك يمكن أن يساعد قياس تأثير كازيمير الفيزيائيين على اختبار صحة مثل هذه الأفكار المتطرفة.

علاقة كازيمير بالغرويات

حقيقة وجود قوة جذب بين لوحين معدنيين موصلين تم التنبؤ بها لأول مرة في عام 1948 من قبل هندريك كازيمير من مختبرات فيليبس للأبحاث في هولندا، ففي ذلك الوقت كان كازيمير يدرس خصائص المحاليل الغروية، فهذه المحاليل هي مواد لزجة مثل الطلاء والمايونيز التي تحتوي على جزيئات بحجم ميكرون في مصفوفة سائلة، حيث يتم تحديد خصائص هذه الحلول بواسطة قوى فان دير فال وهي قوى جذب طويلة المدى توجد بين الذرات والجزيئات المحايدة.

أدرك أحد زملاء كاسيمير ثيو أوفربيك أن النظرية التي استخدمت في ذلك الوقت لشرح قوى فان دير فال، والتي طورها فريتز لندن في عام 1932 لم تشرح بشكل صحيح القياسات التجريبية على الغرويات لذلك طلب أوفربيك من كازيمير التحقيق في المشكلة.

من خلال العمل مع ديرك بولدر عرف كازيمير أنه من غير الممكن وصف التفاعل بين جزيئين محايدين بشكل تام، إلا إذا تم أخذ حقيقة أن الضوء ينتقل بسرعة محدودة في الاعتبار، وبعد ذلك بوقت قصير لاحظ كازيمير أن هذه النتيجة يمكن شرحها من خلال تقلبات الفراغ، ثم سأل نفسه ماذا سيحدث إذا كانت هناك مرآتان بدلاً من جزيئين يواجهان بعضهما البعض في الفراغ حيث كان هذا العمل هو الذي أدى إلى تنبؤاته الشهيرة بوجود قوة جاذبة بين الألواح العاكسة.

فهم قوة كازيمير

على الرغم من أن قوة كازيمير تبدو غير بديهية تمامًا، إلا أنها في الواقع مفهومة جيدًا ففي الأيام الخوالي للميكانيكا الكلاسيكية كانت فكرة الفراغ بسيطة، حيث كان الفراغ هو ما تبقى إذا أفرغت حاوية من جميع جسيماتها وخفضت درجة الحرارة إلى الصفر المطلق، ومع ذلك فقد أدى ظهور ميكانيكا الكم إلى تغيير مفهوم العلماء عن الفراغ تمامًا.

جميع المجالات ولا سيما المجالات الكهرومغناطيسية بها تقلبات، بعبارة أخرى في أي لحظة تختلف قيمتها الفعلية حول قيمة ثابتة ومتوسطة حتى الفراغ التام عند الصفر المطلق له مجالات متقلبة تُعرف باسم تقلبات الفراغ، حيث يقابل متوسط ​​طاقتها نصف طاقة الفوتون.

ومع ذلك فإن تقلبات الفراغ ليست تجريدًا لعقل الفيزيائي إذ لديهم عواقب يمكن ملاحظتها والتي يمكن تصورها مباشرة في التجارب على نطاق مجهري، على سبيل المثال لن تبقى الذرة في حالة الإثارة هناك لفترة طويلة إلى ما لا نهاية، ولكنها ستعود إلى حالتها الأساسية عن طريق إصدار فوتون تلقائيًا، هذه الظاهرة هي نتيجة لتقلبات الفراغ.

قوة كازيمير وضغط إشعاع المجال

قوة كازيمير هي التأثير الميكانيكي الأكثر شهرة لتقلبات الفراغ، واعتبار أن هناك الفجوة بين مرآتين مستويين كتجويف، إذ أن جميع المجالات الكهرومغناطيسية لها طيف مميز يحتوي على العديد من الترددات المختلفة، وفي الفراغ الحر تكون جميع الترددات ذات أهمية متساوية، لكن داخل تجويف حيث ينعكس المجال ذهابًا وإيابًا بين المرايا يكون الوضع مختلفًا، إذ يتم تضخيم المجال إذا كانت مضاعفات الأعداد الصحيحة التي يبلغ طولها نصف طول موجي يمكن أن تتلاءم تمامًا مع التجويف.

هذا الطول الموجي يتوافق مع صدى التجويف وفي الأطوال الموجية الأخرى، وعلى النقيض من ذلك يتم قمع المجال ويتم قمع أو تحسين تقلبات الفراغ اعتمادًا على ما إذا كان ترددها يتوافق مع صدى تجويف أم لا، ومن الكميات الفيزيائية المهمة عند مناقشة قوة كازيمير هو ضغط إشعاع المجال، ففي كل مجال حتى حقل الفراغ يحمل طاقة.

ونظرًا لأن جميع الحقول الكهرومغناطيسية يمكن أن تنتشر في الفضاء فإنها تمارس أيضًا ضغطًا على الأسطح تمامًا، كما يدفع النهر المتدفق على بوابة فيضان، حيث يزداد ضغط الإشعاع هذا مع زيادة طاقة المجال الكهرومغناطيسي ومن ثم تواتره، وعند تردد الرنين التجويفي يكون ضغط الإشعاع داخل التجويف أقوى منه في الخارج، وبالتالي تنفصل المرايا عن بعضها، وفي المقابل من الرنين يكون ضغط الإشعاع داخل التجويف أصغر من الخارج، ويتم سحب المرايا تجاه بعضها البعض.

أهمية قوة كازيمير

على الرغم من أنه لا يتم التعامل بشكل مباشر مع مثل هذه المسافات الصغيرة في الحياة اليومية، إلا أنها مهمة في الهياكل النانوية والأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS)، إذ أن هناك أجهزة ذكية بحجم الميكرون يتم فيها نحت العناصر الميكانيكية والأجزاء المتحركة مثل أجهزة الاستشعار والمشغلات الدقيقة في ركيزة من السيليكون.

يتم بعد ذلك توصيل المكونات الإلكترونية بالجهاز لمعالجة المعلومات التي يستشعرها أو لدفع حركة أجزائه الميكانيكية، ويحتوي نظام (MEMS) على العديد من التطبيقات الممكنة في العلوم والهندسة، ويستخدم بالفعل كأجهزة استشعار لضغط الأكياس الهوائية في السيارة.

كيف يتم قياس تأثير كازيمير

• عندما تم التنبؤ بتأثير كازيمير كان من الصعب جدًا قياسه باستخدام معدات ذلك الوقت، حيث أجرى أحد العلماء تجارب، حيث قام بفحص قوة كازيمير بين مرآتين معدنيتين مسطحتين مصنوعتين من الألومنيوم أو الكروم أو الفولاذ وقام بقياس القوة باستخدام ميزان زنبركي، حيث تم تحديد امتداده بواسطة سعة الصفيحتين.

• لمنع غمر قوة كازيمير بالقوة الكهروستاتيكية يجب أن تظل المرايا محايدة عن طريق لمسها معًا أولاً قبل إجراء كل قياس، وكان على العالم سبارناي أيضًا التأكد من أن المرايا المستوية كانت متوازية تمامًا مع بعضها البعض؛ لأن قوة كازيمير حساسة للغاية للتغيرات في المسافة.

• لكن منذ تلك الأيام الأولى سهلت المعدات المتطورة دراسة تأثير كازيمير، حيث بدأ جيل جديد من القياسات في عام 1997، وقام ستيف لامورو بقياس قوة كازيمير بين عدسة كروية قطرها 4 سم، ولوحة كوارتز بصرية يبلغ قطرها 2.5 سم وكلاهما مطلي بـ النحاس والذهب.

• تم توصيل العدسة واللوحة ببندول التواء وشريط أفقي ملتوي معلق بواسطة سلك تنجستن حيث تم وضعه في وعاء أسطواني تحت فراغ وعندما جمعت لامورو العدسة واللوحة معًا في حدود عدة ميكرونات من بعضها البعض، إذ جمعت قوة كازيمير الجسمين معًا وتسببت في تحريف البندول، ووجد أن قياساته التجريبية تتفق مع النظرية بدقة 5٪.

• استخدم توماس إديرث في المعهد الملكي للتكنولوجيا في ستوكهولم بالسويد أيضًا مجهر القوة الذرية لدراسة تأثير كازيمير، حيث قام بقياس القوة بين أسطوانتين مطليتين بالذهب، تم ترتيبهما عند 90 درجة لبعضهما البعض وكان المسافة بينهما 20 نانومتر إذ اتفقت نتائجه في حدود 1٪ من الناحية النظرية.

• ومع ذلك فإن عددًا قليلاً جدًا من التجارب الحديثة قد قاس قوة كازيمير باستخدام التكوين الأصلي لمرايا مستوية متوازيتان، والسبب هو أن المرايا يجب أن تظل متوازية تمامًا أثناء التجربة وهو أمر صعب.

لكن على الرغم من الجهود المكثفة للباحثين في هذا المجال لا تزال هناك العديد من المشكلات التي لم يتم حلها بشأن تأثير كازيمير، وعلى وجه الخصوص لا يزال السؤال الذي يبدو بريئًا لقوة كازيمير داخل كرة مجوفة واحدة موضوع نقاش حي.