יום רביעי, 18 בפברואר 2009

האם קיים אפקט קזימיר בימאות?

בפוסט הקודם כתבתי על קוביות קרח ועל אפקט צ'יריוס. בתגובה הפנתה אותי אלה, שגם שאלה את השאלה המקורית, לערך אודות אפקט צ'יריוס בוויקיפדיה. שם הופתעתי לקרוא על כוח הנובע מ"המקבילה הימאית של אפקט קזימיר" שפועל כביכול בין עצמים בנוזל. זה נראה לי מוזר משום שהכוח הנובע מאפקט קזימיר חלש מאוד ויש לו משמעות רק עבור עצמים זעירים, בגודל ננומטרי (מיליארדית המטר) - הוא בוודאי לא מתחרה עם אפקט צ'יריוס. מה עוד שאפקט קזימיר לא קשור כלל לנוזלים. מצאתי אזכור של אותה מקבילה ימאית מסתורית גם בערך הוויקיפדי על אפקט קזימיר בעברית וגם בגרסה מוקדמת של הערך באנגלית (מאי 2007). אבל לפני שאני מגיע למקבילה הימאית, אני רוצה לעסוק באפקט קזימיר עצמו.

"אפקט קזימיר בימאות" - האם קיים כוח מסתורי שמושך ספינות קרובות זו לזו? מקור: Nature

אפקט קזימיר מתאר כוח מיוחד שפועל בין גופים מוליכים, למשל זוג לוחות מוליכים שאינם טעונים במטען חשמלי. מדובר בכוח משיכה שפועל בין הלוחות אפילו אם הם נמצאים בריק (ואקום), כלומר לא פועל עליהם לחץ אוויר או לחץ נוזל. אין הכוונה לכוח המשיכה הכבידתי הפועל בין כל שני גופים, וגם לא לכוח החשמלי הפועל בין גופים טעונים, אלא לכוח אחר לגמרי. הלחץ הנובע מאפקט קזימיר (לחץ הוא כוח חלקי שטח) גדל מאוד כשהמרחק בין הלוחות קטן, ולכן הלחץ משמעותי רק כשהלוחות קרובים מאוד האחד לשני.

ההסבר לאפקט קזימיר איננו פשוט. הוא מבוסס על תורת הקוונטים, או ליתר דיוק על תורת השדות הקוונטית שלוקחת בחשבון גם את תורת היחסות הפרטית של איינשטיין. מושג מרכזי בתורת השדות הקוונטית הוא קיומם של חלקיקים וירטואליים. אלו הם חלקיקים קצרי חיים שנוצרים ונעלמים בכל מקום, אפילו בריק. לא ניתן לגלות אותם ישירות, אבל רואים את ההשפעה שלהם בכל תהליך שמעורבים בו חלקיקים יסודיים. כאמור, אותם חלקיקים וירטואליים נוצרים ונעלמים גם בריק, ולכן הם פועלים על שני הלוחות המוליכים שלנו. הנקודה החשובה מבחינתנו היא שהכוח שהם מפעילים על הלוחות כלפי חוץ קטן מהכוח שהם מפעילים על הלוחות כלפי פנים, ולכן נוצר כוח משיכה בין הלוחות. ההבדל בכוחות נובע מהעובדה שבין הלוחות יש העדפה לחלקיקים מסוימים בלבד, ואילו מחוץ ללוחות אין העדפה, כלומר מחוץ ללוחות יש יותר חלקיקים.


אפקט קזימיר: הלחץ החיצוני שדוחף את הלוחות זה לזה גדול מהלחץ ביניהם שדוחה אותם האחד מהשני. מקור: Wikimedia

באיור כל גל מייצג חלקיק - ניתן לראות שבין הלוחות יש פחות גלים מאשר מחוץ ללוחות. זה דומה קצת לגלי קול בתוך חליל - אורך החליל קובע את תדר התהודה וגלי הקול שנעים בתוך החליל יתאימו רק לתדר התהודה או לכפולות שלו.

מאז שהנדריק קזימיר חזה את האפקט ב-1948 הצליחו מדענים למדוד אותו בעזרת כמה וכמה ניסויים. בימים אלו העניין בו גובר, הן בהיבט התאורטי והן בהיבט הניסיוני, וזאת משום שיכולה להיות לו חשיבות רבה ביישומים ננוטכנולוגיים.

ומה לגבי המקבילה הימאית של אפקט קזימיר? מסתבר שבשנת 1996 פרסם פיזיקאי הולנדי מאמר שבו נטען שאפקט קזימיר דומה למשיכה בין ספינות קרובות בים גלי ללא רוח, תופעה שתוארה בספר צרפתי משנת 1836 (P. C. Caussée, The Album of the Mariner).

האמנם אפקט קזימיר מתרחש בקנה מידה גדול עקב פעולתם של גלי הים? זה נשמע רומנטי ומקסים, ואכן פיזיקאים רבים התפתו להאמין בכך או לכל הפחות לא לבדוק את הפרטים. בסופו של דבר, לא קל למצוא מישהו שמבין מספיק גם בימאות וגם בפיזיקה על מנת לבדוק את ההקבלה הזו לעומק. למרבה המזל, פבריציו פינטו, פיזיקאי שהוא גם ימאי נלהב וגם שונא מיתוסים, החליט לבדוק על מה מדובר וקבע בביטחון שמדובר בשטות גמורה. הוא טוען בכתב העת נייצ'ר שלא רק שהפיזיקאי ההולנדי לא הבין בכלל את הספר הצרפתי, אלא שגם הסופר הצרפתי טעה וכוח כזה בין ספינות איננו קיים כלל ועיקר. הבעיה היא שהמקבילה הימאית כבר החלה להופיע כאנלוגיה תקפה באתרי אינטרנט ובמאמרים (אפילו בנייצ'ר) ולא יהיה קל לעקור אותה מהשורש.

התצלום הבא, שנעשה באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים, מתאר מערכת למדידת אפקט קזימיר המבוססת על מיקרוסקופ כוח אטומי. מיקרוסקופ כוח אטומי מסוגל למדוד את המיקום המדויק של הכדור המתכתי הנראה בתצלום בשעה שמקרבים אותו ללוח מתכת, וכך לגלות תנועות זעירות של הכדור הנובעות מקיומו של כוח קזימיר.

מערכת למדידת אפקט קזימיר המבוססת על מיקרוסקופ כוח אטומי. מקור: APOD

6 תגובות:

אנונימי אמר/ה...

האם כוח המשיכה בין הלוחות תלוי בתכונות החומר המוליך?

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

שאלה יפה.
אחד הדברים המעניינים באפקט קזימיר הוא שהכוח לא תלוי בסוג החומר המוליך.
הלחץ (כוח חלקי שטח הלוחות) שפועל על הלוחות תלוי רק במרחק ביניהם. הוא קטן כשהמרחק גדל (הלחץ יחסי לאחד חלקי המרחק בחזקת ארבע).

אפי אמר/ה...

שלום לכם (באיחור קל...). שני דברים:
1. לגבי השאלה: למעשה לפי איך שאני מבין, כח קזימיר כן תלוי בחומר ה"מוליך" או למעשה בקבוע הדיאלקטרי שלו. אם אני זוכר נכון התלות הזו לא משפיעה על התלות במרחק (אחד חלקי מרחק בחזקה רביעית) אבל כן משפיעה על המספרים (מקדמים) בתוצאה.
2. לגבי הקטע עם הימאות - אני לא מבין בימאות, אבל גם באטומים אפשר ליצור ביניהם כוח בעזרת הקרנה עם שדה אור (לא רזוננטי). זה דומה לאפקט קזימיר (ואן דר ואלס) אבל מבוסס על גל (אלקטרומגנטי) קלאסי (במקום הואקום) - והרי גם גלי ים הם גלים קלאסיים. מצד שני, כמו שאמרתי אני לא מבין בגלי ים, פשוט ניסיתי להסביר שיש גם "גירסה קלאסית" לכח ואן דר ואלס, שבעצמו קשור מאוד לאפקט קזימיר.

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

אפי, תודה על התיקון - לתכונות החומר יש בהחלט השפעה בניגוד למה שכתבתי בתגובה הקודמת.

לגבי הערתך השנייה, לא הבנתי למה הקרנה עם אור דומה לאפקט קזימיר.

אפי אמר/ה...

שנה מאוחר יותר שוב נתקלתי באתר זה כשהתעניינתי מה גוגל בעברית נותן על אפקט קזימיר.
אוקיי, אז אסביר את הערתי השנייה שוב. צורה נוספת להסתכל על כוח קזימיר היא כזו: בלוח המוליך/דיאלקטורי ניתן לעורר דיפולים אם יש מי שמעורר אותם. העירור שלהן יכול להיות כתוצאה מפלקטואציות תרמיות, קוונטיות, או כתוצאה משדה חשמלי חיצוני תרמי/קוונטי או אפילו לייזר חיצוני. ברגע שהגיפולים מעוררים, הם יוצרים שדה. השדה מגיע ללוח השני ומעורר בו דיפולים. כך נוצרת האינטרקציה. אפקט קזימיר הוא האפקט שנובע מדיפולים שמה שעורר את הפלקטואציות הוא הואקום הקוונטי. אבל לאפקט קזימיר יש גם אנלוגיה קלאסית, כאשר הטמפרטורה אינה אפס ושדה תרמי/פלקטואציות תרמיות מעוררים את הדיפולים.
אם כן, מה הקשר לאפקט ה"ימי"? בוא נדמיין שני מצופים על המים. כאשר יש גלים במים המצופים מתנדנדים, בדיוק כמו הדיפולים שהתעורר על ידי גלים אלקטרומגנטיים (או תרמיים או של ואקום או של איזשהוא לייזור לא רזוננטי). מצד שני, כאשר מצוף מתנדנד במים, הוא יוצר גלים משל עצמו, בדיוק כמו שהדיפולים המעוררים יצרו שדה חשמלי. גלי המים שהמצוף יצר מגיעים למצוף השני ומעוררים אותו, בדיוק כמו שהשדה מהדיפול הראשון הגיע לדיפול השני. והנה נוצרה לנו אינטרקציה מושכת בין שני המצופים, כתוצאה מהצימוד בין מצופים לגלים.
אז למה היה כתוב בנייצ'ר שזו שטות? לא קראתי, אבל הייתי מנחש שיש כוחות אחרים, יותר משמעותיים. זה עדיין לא סותר את זה שגם קיים הכוח הזה.
למעשה לא מזמן הייתי באגם גם גושי קרח קטנים שצפו בו (התנתקו מקרחון סמוך). שמתי לב שרוב הגושים הקטנים יחסית, נצמדים לשפה של האגם. זה הזכיר לי את אפקט קזימיר שקיים בין אטום (שזה בעצם דיפול) לבין משטחים - האטומים נמשכים ונדבקים למשטחים, בצורה דומה לגושי הקרח שנדבקו לשפת האגם. האם זה ההסבר היחיד למה שראיתי? לא יודע כי אני ממש לא מומחה בהידרודינמיקה. אבל זה כן יכול להיות הסבר אפשרי.

עקיבא פנדל אמר/ה...

מה לגבי הניסוי הבא? הוא לא נראה קשור לאפקט צ'יריוס דוקא
https://www.youtube.com/watch?v=H-GnwnEnLCA