Okunma: 3450 kez

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 ( 6,62.10^-34J.s ), c ışığın boşluktaki hızı ( 3.10⁸ 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.

Mehmet TAŞKAN

Kaynaklar:

1)H.B.G. Casimir, Proc. Kon. Ned. Akad. Wetensch. B51, 793 (1948)

2)S. Lamoreaux, Phys. Rev. Lett., 78, p5 (1996).

3)K A Milton 2001 The Casimir Effect: Physical Manifestations of Zero-point Energy (World Scientific, Singapore) Buy the book: Amazon UK/Amazon US .   Subscribe to Physics World << Previous Physics World September 2002 Next >> physics world alerts .

Etiketler:  

Bilimler
Fizik
Casimir Etkisi

Sadece kayıtlı kullanıcılar yorum yazabilirler.
Lütfen hesabınıza giriş yapınız veya kayıt olunuz.

---