100 великих достижений в мире техники - Станислав Зигуненко

Понять, в чем суть эффекта Казимира, нам поможет такой наглядный пример. Еще в XVIII веке французские моряки наблюдали такое явление. Когда два судна, раскачивающиеся из стороны в сторону в условиях сильного волнения, но слабого ветра, оказывались на расстоянии меньше приблизительно 40 м, то в результате интерференции волн в пространстве между кораблями прекращалось волнение. Спокойное море между кораблями создавало меньшее давление, чем волнующееся с внешних сторон. В результате возникала сила, стремящаяся столкнуть суда.

Сила притяжения, названная силой Казимира, прямо пропорциональна площади пластин и обратно пропорциональна 4-й степени расстояния между ними

Голландец Хендрик Казимир, как уже говорилось, был не моряком, а физиком. Он понял, что аналогичная сила должна возникать и между двумя параллельными зеркальными пластинами в вакууме. «Вследствие флуктуаций электромагнитного поля здесь возникает сила притяжения, – рассуждал он. – Давление флуктуаций поля снаружи пластин оказывается больше давления между пластинами»…

Сила притяжения, позднее названная силой Казимира, прямо пропорциональна площади пластин и обратно пропорциональна 4-й степени расстояния между ними. Возникает же она вот откуда. Согласно квантовой теории поля, физический вакуум представляет собой не абсолютную пустоту. В нем постоянно рождаются и исчезают па́ры виртуальных частиц и античастиц – происходят постоянные колебания (флуктуации) связанных с этими частицами полей. В частности, происходят колебания связанного с фотонами электромагнитного поля.

Причем обычно в вакууме рождаются и исчезают виртуальные фотоны, соответствующие всем длинам волн электромагнитного спектра. Однако в пространстве между близко расположенными зеркальными поверхностями ситуация меняется. На определенных резонансных длинах электромагнитные волны усиливаются. На всех остальных же длинах, которых больше, напротив, подавляются. 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 – подавленными. Как следствие, растет сила притяжения между поверхностями.

Правда, с нашей обыденной точки зрения сила Казимира чрезвычайно мала. Если держать зеркала друг от друга на расстоянии хотя бы пары миллиметров, она незаметна. Расстояние, на котором она начинает ощущаться, составляет порядка нескольких микрон.

Однако, будучи обратно пропорциональной 4-й степени расстояния, она очень быстро растет с уменьшением последнего. На расстояниях порядка 10 нанометров – сотни диаметров типичного атома – давление, создаваемое эффектом Казимира, оказывается сравнимым с атмосферным.

На практике проявляется эта сила подобно «сухому клею». Например, если прижать друг к другу два металлических, тщательно отполированных брусочка, они слипаются.

Из брусочков строго определенных размеров, соединяя их вместе, собирали сверхточные линейки нужной длины для калибровки измерительных приборов. Теперь, правда, надобность в том отпала – лазерные эталоны и дальномеры оказались еще точнее.

Сила отталкивания. Однако история с силой Казимира на том не кончается. Более тщательные исследования, проведенные уже в конце XX века, показали, что, если мы будем использовать не просто плоские пластины, а прибегнем к взаимодействию, например сферы и плоскости или объектов еще более сложных форм, можно добиться, что сила притяжения в какой-то момент поменяет свой знак и станет силой отталкивания. Причем на сегодняшний день согласие между наблюдаемыми результатами и теорией удостоверено с точностью более 99 %.

Этим результатами, в свою очередь, воспользовались профессор Ульф Леонард и доктор Томас Филбин из Университета Святого Эндрюса в Шотландии. Они разработали теорию, которая позволяет выявить те условия, при которых сила Казимира меняет свой знак. На основании этого, полагают ученые, можно будет создавать антифрикционные покрытия для микромашин с движущимися частями.

Как пояснил профессор Леонард, такие микромеханические системы уже используются на практике. Например, крошечные механические датчики перегрузок, которые приводят в действие надувные подушки безопасности в автомобиле, станут еще более чувствительными и надежными.

И это лишь первый шаг. В будущем, как полагают исследователи, на основе эффекта Казимира можно ожидать создания левитирующих устройств, которые могут совершить подлинную революцию в мире транспорта.

Исследователям вполне можно верить. Ведь они уже зарекомендовали себя в ученом мире как весьма перспективные и авторитетные специалисты. Тот же профессор Леонард возглавляет одну из четырех команд, которые ныне занимаются также проблемами невидимости. И создали уже прототипы покрытия, которое световые волны определенной длины волны или ультразвук будут обтекать точно так же, как речные потоки беспрепятственно огибают гладкую скалу.

А там, глядишь, очередь дойдет и до освоения левитации в полном объеме с опорой на силы антигравитации. Ведь, как известно, гравитация или сила тяжести обеспечивается наличием больших масс. Например, мы притягиваемся к Земле силой гравитации нашей планеты, а та, в свою очередь, совершается свой бег вокруг Солнца, удерживаемая на орбите опять-таки силой гравитации нашего светила…

Однако сравнительно недавно астрофизики сделали открытие. Оказывается, на окраинах нашей Вселенной небесные тела разбегаются от центра со скоростью большей, чем то предписывает теория гравитации. Такое впечатление, что на небесные тела или действует какая-то неизвестная нам скрытая масса, или (теоретики предвидят и такой вариант) на них действует некая темная материя или энергия, которая обладает некоей антигравитацией, то есть не притягивает, а отталкивает от себя массивные тела.

Что же это за материя или энергия, теоретики пока еще имеют очень слабое представление. Быть может, открытие, сделанное группой профессора Леонарда, поможет разобраться и в этом феномене?..

Корабли на колесах

Говорят, однажды на наш автозавод приехала японская делегация. Ее члены внимательно осмотрели новый вездеход высотой с двухэтажный дом, с огромными колесами и мощнейшим мотором.

«Зачем нужна такая машина?» – поинтересовались гости.

«Она преодолеет любое бездорожье», – с гордостью ответили хозяева.

«И чего только не придумают эти русские, чтобы только не строить хорошие дороги»…

Сага о снежном крейсере. Впрочем, если говорить серьезно, с дорогами не только у нас проблемы. На планете бездорожья еще хватает – пустыни, тундра, ледяные равнины Антарктиды… Словом, вездеходам еще есть где разгуляться.

Кстати, первые из них появились на нашей планете около 5000 лет тому назад. И представляли собой предшественников среднеазиатской арбы. Такие повозки с двумя огромными колесами, которые таскают за собой безотказные ослики, и поныне можно увидеть где-нибудь в районе Бухары.

В начале прошлого века арбу не раз пытались моторизовать, делая из нее то тягач для транспортировки пушек, то транспортер для пустыни… А 70 с лишним лет назад за дело взялись американцы. Со свойственным им размахом они создали уникальный антарктический вездеход.

Чтобы заинтересовать общественность и правительство в проекте, сначала был снят рекламный ролик. В его первых кадрах показано, как отважный полярный исследователь, контр-адмирал Ричард Бэрд обреченно ждет смерти в хижине, отрезанный от всего мира страшной непогодой, какая у Южного полюса случается регулярно. Тем временем его друг и заместитель профессор Томас Поултер отчаянно пытается прорваться к адмиралу через 123 мили снежного бездорожья на тракторах-снегоходах. Лишь третья попытка чудом увенчалась успехом, когда уж и у спасателей, и у спасаемых не осталось почти никаких надежд…

Такая история и в самом деле случилась в начале XX века. Но она никогда не повторится, утверждали авторы фильма, если общество раскошелится на создание уникального вездехода. Потому как в 1934 году все тот же профессор Поултер создал проект транспортного средства, которому, по идее, не страшны ни снежные бури, ни 80-градусные морозы, ни коварные бездонные трещины, прикрытые тонким слоем смерзшегося снега-фирна.

Поултер был типичным американцем, то есть не только ученым и инженером, но и оборотистым бизнесменом. Во всяком случае, он убедил Конгресс в том, что такой Snow Cruiser («Снежный крейсер») построить не только можно, но и нужно. Причем обойдется вся затея в какие-то 150 тыс. долларов, которые к тому же дадут частные инвесторы. Правительство же Поултер просил всего лишь оплатить расходы по переброске левиафана в Антарктиду и снабжение экспедиции.