Экспериментальное обнаружение

Лекция 1

Квантовая механика.

 

Литература основная.

 

1. Иванов М.Г_Как понимать квантовую механику 2015

2. Матвеев А.Н_Атомная физика т5 1989

3. Тарасов Л.В_Основы квантовой механики 1978

 

Литература вспомогательная.

 

4. Блохинцев Д.И_Основы квантовой механики 1976

5. Соколов А.А_Квантовая механика и атомная физика 1979

6. Трейман С_Этот странный квантовый мир 2002

7. Шифф Л_Квантовая механика 1959

 

Тема

Физические основы квантовой механики

Явления, противоречащие классической физике: устойчивость атомов, фотоэффект, спектр равновесного излучения, эффект Комптона. Гипотеза Планка о квантовании энергии осциллятора. Гипотеза Эйнштейна о квантах электромагнитного поля. Импульс фотона.

 

 

Классическая механика изучает

Основными понятиями классической механики являются понятия материального тела, материальной точки, движения материальной точки по определенной траектории и силы как причины тех или иных особенностей движения материальных тел и точек. Хотя классическая физика в современном понимании начинается с Ньютона, основные понятия и представления, на которых она базируется, зародились задолго до него.

 

Что такое квантовая механика? В каком отношении к классической физике находится квантовая механика? Каким специалистам она нужна? Итак, что такое квантовая механика?

На поставленный вопрос можно ответить по-разному. Прежде всего квантовая механика — это теория, описывающая свойства материи на уровне микроявлений', она рассматривает законы движения микрообъектов. Микрообъекты (молекулы, атомы, элементарные частицы) — основные «действующие лица» в квантовой механике. С более широкой точки зрения квантовую механику следует рассматривать как теоретическую основу современного учения о строении и свойствах вещества. По сравнению с классической физикой квантовая механика рассматривает свойства вещества на более глубоком, более фундаментальном уровне. Она позволяет раскрыть многие «почему?», остававшиеся без ответа в классической физике. Почему, например, алмаз тверд? Почему электропроводность полупроводника растет с увеличением температуры?

 

Примеры чисто квантовых явлений

 

 

Эффект Казимира — эффект, заключающийся во взаимном притяжении проводящих незаряженных тел под действием квантовых флуктуаций в вакууме. Чаще всего речь идёт о двух параллельных незаря­женных зеркальных поверхностях, размещённых на близком расстоянии, однако эффект Казимира суще­ствует и при более сложных геометриях.

Причиной эффекта Казимира являются энергетиче­ские колебания физического вакуума из-за постоян­ного рождения и исчезновения в нём виртуальных частиц. Эффект был предсказан голландским физи­ком Хендриком Казимиром (Hendrik Casimir, 1909— 2000) в 1948 году, а позднее подтверждён экспери­ментально.

Суть эффекта

Согласно квантовой теории поля, физический ваку­ум представляет собой не абсолютную пустоту. В нём постоянно рождаются и исчезают пары виртуальных частиц и античастиц — происходят постоянные ко­лебания (флуктуации) связанных с этими частицами полей. В частности, происходят колебания связан­ного с фотонами электромагнитного поля. В вакуу­ме рождаются и исчезают виртуальные фотоны, со­ответствующие всем длинам волн электромагнитно­го спектра. Однако в пространстве между близко рас­положенными зеркальными поверхностями ситуация меняется. На определённых резонансных длинах (це­лое или полуцелое число раз укладывающихся между поверхностями), электромагнитные волны усилива­ются. На всех остальных же длинах, которых больше, напротив, подавляются (то есть, подавляется рожде­ние соответствующих виртуальных фотонов). Проис­ходит это вследствие того, что в пространстве между пластинами могут существовать только стоячие вол­ны, амплитуда которых на пластинах равна нулю. В результате, давление виртуальных фотонов изнутри на две поверхности оказывается меньше, чем давле­ние на них извне, где рождение фотонов ничем не ограничено. Чем ближе друг к другу поверхности, тем меньше длин волн между ними оказывается в ре­зонансе и больше — оказывается подавленными. Та­кое состояние вакуума в литературе иногда называ­ется вакуумом Казимира. Как следствие, растёт сила притяжения между поверхностями.

Явление можно образно описать как «отрицательное давление», когда вакуум лишён не только обычных, но и части виртуальных частиц, то есть «откачали всё и ещё чуть-чуть». С этим явлением связан также дис­куссионный

 

Аналогия

Явление, схожее с эффектом Казимира, наблюдалось ещё в XVIII веке французскими моряками. Когда два корабля, раскачивающихся из стороны в сторо­ну в условиях сильного волнения, но слабого ветра, оказывались на расстоянии менее приблизительно 40 метров, то в результате интерференции волн в пространстве между кораблями прекращалось волнение. Спокойное море между кораблями создавало мень­шее давление, чем волнующееся с внешних бортов кораблей. В результате возникала сила, стремящаяся столкнуть корабли бортами. В качестве контрмеры, руководство по мореплаванию начала 1800-х годов рекомендовало обоим кораблям послать по шлюпке с 10—20 моряками, чтобы расталкивать корабли.

Также эффект напоминает кинетическую теорию гравитации Лесажа, заключающуюся в сталкивании тел друг с другом под давлением неких гипотетических частиц.

Величина силы Казимира

Отсюда видно, что сила Казимира крайне мала. Расстояние, на котором она начинает быть сколько- нибудь заметной, составляет порядка нескольких микрон. Однако, будучи обратно пропорциональной 4-й степени расстояния, она очень быстро растёт с уменьшением последнего. На расстояниях порядка 10 нм — сотни размеров типичного атома — давление, создаваемое эффектом Казимира, оказывается сравнимым с атмосферным.

В случае более сложной геометрии (например, взаимодействия сферы и плоскости или взаимодействие более сложных объектов) численное значение и знак коэффициента меняется, таким образом сила Казимира может быть как силой притяжения, так и силой отталкивания.

Несмотря на то, что в формуле для силы Казимира отсутствует постоянная тонкой структуры а — основная характеристика электромагнитного взаимодействия, — этот эффект, тем не менее, имеет электромагнитное происхождение. Как показано в заметке^, при учёте конечной проводимости пластин появляется зависимость от а, а стандартное выражение для силы появляется в предельном случае а mc/Anfmd⁴, где п — плотность электронов в пластинке.

История открытия

Хендрик Казимир работал в Philips Research Laboratories в Нидерландах, занимаясь изучением коллоидных растворов — вязких веществ, имеющих в своём составе частички микронных размеров. Один из его коллег, Тео Овербек (Theo Overbeek), обнаружил, что поведение коллоидных растворов не вполне согласуется с существующей теорией и попросил Казимира исследовать эту проблему. Вскоре Казимир пришёл к выводу, что отклонения от предсказываемого теорией поведения может быть объяснено, если учитывать влияние флуктуаций вакуума на межмолекулярные взаимодействия. Это и натолкнуло его на вопрос, какое воздействие могут оказать флуктуации вакуума на две параллельные зеркальные поверхности, и привело к знаменитому предсказанию о существовании между последними притягивающей силы.

Экспериментальное обнаружение

Когда в 1948 году Казимир сделал своё предсказание, несовершенство существовавших технологий и крайняя слабость самого эффекта делали его экспе­риментальную проверку чрезвычайно трудной зада­чей. Один из первых экспериментов провёл в 1958 году Маркус Спаарней (Marcus Spaarnay) из центра Philips в Эйндховене. Спаарней пришёл к выводу, что его результаты «не противоречат теоретическим предсказаниям Казимира». В 1997 году началась серия гораздо более точных экспериментов, в которых было установлено согласие между наблюдаемыми ре­зультатами и теорией с точностью более 99 %.

В 2011 году группа ученых из технологического уни­верситета Чалмерса подтвердила динамический эф­фект Казимира. В эксперименте, благодаря модификации СКВИДа, учёные получили подобие зеркала, которое под воздействием магнитного поля колебалось со скоростью около 5 % от световой. Этого оказалось достаточно для того, чтобы наблюдать динамический эффект Казимира: СКВИД испускал поток микроволновых фотонов, причём их частота была равна половине частоты колебаний «зеркала». Именно такой эффект предсказывала квантовая теория. В данный момент ожидается повторение эксперимента какой-либо другой группой ученых.

В 2012 году группа исследователей из Флоридского университета сконструировала первую микросхе­му для измерения силы Казимира между электродом и кремниевой пластиной толщиной 1,42 нм при комнатной температуре. Устройство работает в автома­тическом режиме и снабжено приводом, который регулирует расстояние между пластинами от 1,92 нм до 260 нм, соблюдая параллельность. Результаты измерений довольно точно совпадают с теоретически рассчитанными значениями. Данный эксперимент показывает, что на данных расстояниях сила Казимира может быть основной силой взаимодействия между пластинами.ИИ