Силу пустоты можно значительно усилить

Предложен метод усиления межатомных сил взаимодействия, связанных с квантовыми флуктуациями  вакуума.

Флуктуации вакуума, пожалуй, одно из самых противоречащих здравому смыслу явлений квантовой физики. Оно заключается в том, что вакуум совсем не так пуст, как можно подумать. На самом деле, это «пустое пространство» представляет собой кипящий суп из рождающихся и гибнущих различных виртуальных частиц и античастиц. Это явление и получило название «флуктуации вакуума». Термин флуктуация означает случайное отклонение от среднего значения.

Если вы находитесь на улице, то вряд ли перед вами из пустоты возникнет автомобиль, а затем также неожиданно исчезнет. Если ваш автомобиль и исчезнет с места парковки, то не за счет флуктуаций вакуума. Объекты макромира не исчезают и не появляются, нарушая закон сохранения энергии. В мире квантовой физики, однако, все немного сложнее. В соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга, на очень короткое время могут рождаться частицы, получившие название виртуальных. Чем выше их энергия, тем быстрее они исчезнут. Как правило, такие чрезвычайно короткоживущие частицы остаются совершенно незаметными, но в некоторых случаях порождаемые ими «вакуумные» силы могут давать заметный эффект, который может быть измерен.

Среди виртуальных частиц имеются переносчики электромагнитного взаимодействия – фотоны. Рождение и гибель виртуальных фотонов порождает флуктуации электрического поля, которые поляризуют нейтральные атомы и молекулы, делая их электрическими диполями, что может привести к силам притяжения между ними. Эти силы получили имя Ван-дер-Ваальса, установившего наличие подобных сил в газах. С ними частично связана способность ящерицы геккона подниматься по плоским поверхностям.

Еще одним примером «вакуумных» сил является знаменитый эффект Казимира. Физик Хендрик Казимир рассчитал в 1948 году, что два параллельных зеркала в пустом пространстве будут притягивать друг друга благодаря тому, что они влияют на вакуум вокруг них. Все дело в том, что между поверхностями будут рождаться только фотоны с резонансными длинами волн, целое или полуцелое число раз укладывающихся между поверхностями. Благодаря этому фотонов между пластинами будет рождаться меньше, чем снаружи, где их рождение ничем не ограничено. В результате давление внешних виртуальных фотонов будет больше внутренних, и возникнет сила притяжения зеркал.

Два близких атома также могут изменить локальный вакуум вокруг них. Если один из них испускает виртуальные фотоны, которые почти мгновенно поглощаются другим, то это приведет к возникновению силы между ними. Но, как правило, такие силы непостоянны из-за того, что такой фотон может быть выброшен в любом направлении, и шансы второго атома поглотить его очень малы. Поэтому их очень трудно измерить.

Но ситуация изменится, если виртуальной частице помогут найти нужный путь. Международный коллектив физиков рассчитал, что происходит с «вакуумными» силами между атомами, когда они находятся в непосредственной близости от стандартной электрической линии передачи, такой как коаксиальный кабель или копланарный волновод (см. рисунок), охлажденной до очень низких температур. В этом случае колебания эффективно ограничиваются одним направлением. Виртуальные частицы будут вынуждены идти в направлении другого атома. При этом должно произойти возрастание величины силы на несколько порядков и увеличение радиуса ее действия. Она теперь будет убывать с увеличением расстояния между атомами (r) пропорционально 1/r³ вместо 1/r⁷, как в обычном случае.

Исследователи полагают, что предложенное ими повышение мощности флуктуаций вакуума может иметь далеко идущие последствия для понимания сил Казимира и Ван-дер-Ваальса. Возможно, это явление найдет применение в микроэлектромеханических системах, приложениях для квантовой обработки информации и других новых квантовых технологиях.

Помимо двух израильских физиков из Института имени Вейцмана (Реховот, Израиль) в команду исследователей входит представитель Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе РАН, в настоящее время работающий в Венском технологическом университете, Игорь Мазец. Результаты своей работы они опубликовали в Трудах Национальной Академии наук США.