Kasimir Etkisi

Kasimir Etkisi

Bundan yaklaşık 50 yıl önce fizikçi Hendrik Casimir, mikro-makinelerden birleşik doğa teorilerine kadar her şeyi etkileyebilen, bir vakumda (boşlukta) iki yüzey arasındaki çekme kuvveti olabileceğini önerdi

Boşlukta iki aynayı bir biriyle yüz yüze ve küçük aralıklı duruma getirirseniz ne olur? İlk reaksiyonunuz “hiçbir şey” olabilir Fakat gerçekte, her iki ayna, basit vakum sonucu birbirini karşılıklı olarak çekerler İşte bu etkiyi Hollandalı teorik fizikçi Hendrik Casimir 1948 yılında, Eindhoven’da Philips Araştırma Laboratuvarı’nda, tüm nesnelerde colloidal çözeltiler üzerine araştırma yaparken bu fenomeni önerdi Bu colloidal çözeltiler; mikron boyutlu parçacıklar içeren bir sıvı karışımında, boya ve mayenozda olduğu gibi, viskoz materyallerdir Böyle çözeltilerin özellikleri nötral atomlar ve moleküller arasında mevcut olan, uzun erimli ve çekici Wan der Waals kuvvetleri tarafından belirlenir


İki ayna arasındaki kuvvet Casimir kuvveti olarak, bu fenomen ise Casimir etkisi olarak bilinir Casimir etkisi yıllarca teorik merak konusu oldu Bu fenomene ilgi son yıllarda daha da arttı Deneyci fizikçiler, mikro-makinelerin çalışmalarını etkileyen Casimir kuvvetini, çok duyarlı ölçüm aletleri geliştirerek, gözlediler Bu konuda temel fizik tarafından yeni atılımlar da yapıldı Bir çok teoriysen, 10 veya 11 boyutlu temel kuvvetlerin bileşik alanlar teorisinde “büyük” fazladan boyutların varlığını öngörmektedir Onlar, bu boyutların, milimetrenin altındaki uzaklıklarda, klasik Newton kütle çekimini değiştirebileceğini söylüyorlar Casimir etkisinin ölçümü, çok daha sonra, böyle radikal düşünceleri test etmek için fizikçilere yardımcı olabilir


Casimir kuvveti her ne kadar tam bir karşı-sezgi gösterirse de, gerçekte iyi anlaşılır Klasik mekaniğin ilk zamanlarında vakum düşüncesi oldukça basitti Vakum, bir kabın tüm parçacıklarının (içindeki gazın) boşaltılıp sıcaklığının mutlak sıfıra indirildiği durumdur Kuantum mekaniğinin gelmesiyle vakum anlayışı tamamıyla değişti Belirli elektromanyetik alanlarda tüm alanlar (parçacıklar) titreşim yaparlar Bir başka deyişle, bir sabit etrafında aktüel değeri değişen, verilen her hangi bir moment, bir ortalama değere sahiptir Mutlak sıfırda bile, kusursuz bir vakumda bile, bir fotonun yarı enerjisine karşılık gelen ortalama enerjide, “ vakum salınımları (titreşimleri) “ olarak bilinen salınımlar mevcuttur


Bununla birlikte, vakum salınımları bir fizikçinin zihninde soyut değildir Onlar, makroskopik ölçekli deneylerde doğrudan canlandırılabilen, gözlenebilir sonuçlara sahiptirler Örneğin, uyarılmış seviyedeki bir atom uzun süre uyarılmış kalamaz, kendiliğinden foton salarak taban durumuna geri döner Bu fenomen vakum salınımlarının bir sonucudur Bir kurşun kalemi parmağınızın ucunda dik durdurmaya çalışın Eğer eliniz tamamen kararlı ise kalem orada duracak (kalacak), değilse denge bozulacaktır Fakat çok-çok zayıf bozulma (sapma), kalemi daha kararlı bir denge konumuna getirecektir Benzer olarak, vakum salınımları uyarılmış bir atomun taban durumuna inmesine sebep olur

Casimir kuvveti vakum (boşluk) salınımlarının en çok tanınmış mekanik etkisidir İki ayna arasında bir boşluk olduğunu düşünün (şekildeki gibi) Tüm elektromanyetik alanlar çok farklı frekansları içeren bir karakteristik “spektrum”a sahiptir Serbest bir vakumda tüm frekanslar eşit öneme sahiptir Fakat boşluk (oyuk) içerisinde, aynalar arasında ileri-geri yansıyan alanda, durum farklıdır Alan, boşluk içerisine, yarım dalga boyunun tam katları, tam olarak uyabiliyorsa çoğaltılır Bu dalga boyu “oyuk (boşluk) rezonansına” karşılık gelir Diğer dalga boylarında, aksine, alan zorlanır Vakum salınımları ya zorlanır ya da frekansın boşluk rezonansına karşılık gelip gelmediğine bağlı olarak yükselir


Casimir etkisinin tartışmasında önemli bir fiziksel nicelik de “alan radyasyon basıncı”dır Her alan-vakum alanı bile-enerji taşır Tüm elektromanyetik alanlar uzayda yayılırken, akan bir nehrin etrafındaki ve önündeki şeylere basınç uyguladığı gibi, yüzeylere basınç uygular Bu radyasyon basıncı ve elektromanyetik dalganın frekansı enerjinin artması ile artar Oyuk içindeki radyasyon basıncı, bir oyuk rezonans frekansında, dış kısımdakinden daha güçlüdür ve bundan dolayı aynalar bir birinden uzağa itilirler Rezonans dışında, tersine, oyuk içerisindeki radyasyon basıncı dışarıdakinden daha küçüktür ve bundan dolayı aynalar birbirine doğru çekilirler

Dengede, çekme bileşenleri itme bileşenlerinden azıcık daha güçlü etkiye sahiptir Kusursuz iki paralel düzlem ayna için, Casimir kuvveti çekicidir ve bu yüzden aynalar bir birlerini çekerler Kuvvet, F; kesit alanı A ile doğu, aynalar arasındaki uzaklığın dördüncü kuvveti (üssü) d4 ile ters orantılıdır Bu geometrik niceliklerden ayrı olarak kuvvet, ışık hızı ve Planck sabiti gibi temel değerlere de bağlıdır


Casimir kuvveti birkaç metre uzaklıktaki aynalar için son derece küçük olarak gözlenirken, uzaklık mikronluk düzeyde iken ölçülebilir basmaktadır Örneğin, alanı 1 cm2 ve aradaki uzaklık 1 mm olan iki ayna yaklaşık 10-7 N’luk bir Casimir kuvvetine sahiptir, ki bu kuvvet çapı yarım milimetre olan bir su damlasının ağırlığı kadardır Bu kuvvet her ne kadar küçük gözükse de, bir mikrometrenin altındaki uzaklıklarda, iki nötr obje arasında en güçlü olur Gerçekten de, 10 nm (nanometre) aralıklı, tipik bir atom boyutunun yaklaşık 100 katı, Casimir etkisi 1 atmosfer basınsının eşdeğeri basınç üretir


Her ne kadar günlük yaşamımızda böyle küçük uzaklıklar ile ilgilenmesek de, onlar “nano yapılı ölçekler” ve “mikro-elektromekanik sistemlerde” önemlidir Bunlar, mikro boyutlu mekanik elemanlar ve hareketli parçalarda, bir silikon örneğini küçük parçalara bölen akıllılıktadır Elektronik bileşenler bilginin ilerlemesi için cihaz üzerine bağlanır, ki o, mekanik parçaların hareketini algılar ve sürdürmesini sağlar Mikro-elektromekanik sistemlerin bilim ve teknolojide mümkün bir çok uygulama alanı vardır Örneğin, bugün bunlar otomobillerde “air-bag basınç sensörleri” olarak kullanılmaktadır

Aralarındaki uzaklık d ve yüzey alanı A olan iki plaka arasındaki Casimir kuvveti F=(πhc/480)(A/d4 ) bağıntısıyla hesaplanır Burada h Planck sabiti ( 6,6210-34Js ), c ışığın boşluktaki hızı ( 3108 m/s ) dır Bu küçük kuvvet, 1996 yılında Steven Lamoreaux tarafından %5 deneysel hata ile ölçülmüştür


Fotondan başka parçacıklar da küçük bir etki ortaya çıkarır, fakat sadece foton kuvveti ölçülebilirdir Fermiyonlar itici bir etki oluştururken, fotonlar gibi tüm bosonlar, çekici Casimir kuvvetini oluştururlar Eğer elektromanyetizmada süpersimetri olsaydı, o zaman fermiyonik fotonlar da var olacaktı Bu durumda fotonların itme çekme etkisi bir birini yok edecek ve Casimir etkisi olmayacaktı Gerçekte Casimir etkisinin varlığı gösterir ki; doğada süpersimetrinin olması bir simetri kırılmasını gerektirir

Teoriye göre; vakumda “toplam sıfır nokta enerjisi, tüm olası foton modları üzerinden toplam alındığında sonsuz olur Casimir etkisi; sonsuzlukların götürülmesinde, bir enerji farkından meydana gelir Vakum enerjisi, gravitasyonel (kütle çekim) etkileşmeden dolayı, “kuantum kütle çekim teorisinde” bir bilmecedir Kütle çekim teorisi uzay-zamanın eğriliğine sebep olan büyük bir “kozmolojik sabit” ortaya çıkarır Bu uyuşmazlığa çözüm, kuantum kütle çekim teorisinden beklenmektedir