Η δύναμη Casimir στο μικρόκοσμο

Πηγή:  Περισκόπιο της Επιστήμης, 2005

Οι φυσικοί δεν έχουν καταφέρει μέχρι σήμερα να ανακαλύψουν τη μία και μοναδική θεωρία που θα ενοποιεί όλες τις θεμελιώδεις δυνάμεις του σύμπαντος, αυτό όμως δεν εμπόδισε μία ομάδα επιστημόνων να ανοίξουν τον δρόμο για τους νανοτεχνολόγους, στην προσπάθεια τους να ανακαλύψουν αυτή τη «Θεωρία των Πάντων».

Η εν λόγω ομάδα, που περιλαμβάνει τον Ephraim Fischbach του Πανεπιστημίου Purdue, ολοκλήρωσε πρόσφατα μία έρευνα που βελτιώνει την άποψη των επιστημόνων σχετικά με τον τρόπο με τον οποίο μπορούν να αλληλεπιδρούν τα μικροσκοπικά αντικείμενα που τοποθετούνται σε πολύ μικρή απόσταση μεταξύ τους.

Το πείραμα τους, που μελετά τη συμπεριφορά μίας μικροσκοπικής σφαίρας χρυσού καθώς αυτή κινείται πάνω από διαφορετικά υλικά, είναι ενδεικτικό του ότι η βαρύτητα συμπεριφέρεται ακριβώς όπως προέβλεπε ο Ισαάκ Νεύτων, ακόμη και στις μικρές κλίμακες.

Δυστυχώς για εκείνους που αναζητούν τη λεγόμενη «Θεωρία των Πάντων», η νέα ανακάλυψη φαίνεται πως αποκλείει τις εξαιρέσεις από τη διαχρονική θεωρία του Νεύτωνα, που οι φυσικοί πίστευαν πως ίσως παρατηρούνται όταν τα αντικείμενα έχουν αρκετά μικρό μέγεθος. Ωστόσο, στην πορεία, η ομάδα των επιστημόνων μέτρησε μια άλλη, λιγότερο γνωστή δύναμη η οποία όντως επηρεάζει τα μικρά αντικείμενα, και η επίδράση της σε αυτές τις κλίμακες είναι μεγαλύτερη ακόμη και από την ίδια τη βαρύτητα. Οι ακριβείς τους παρατηρήσεις της δύναμης Casimir, όπως ονομάζεται, θα μπορούσαν να διευκολύνουν το έργο των νανοτεχνολόγων, των οποίων τα μικροσκοπικά δημιουργήματα υπόκεινται στην επίδραση της.

Ο Fischbach, καθηγητής φυσικής στο Κολέγιο Επιστημών του Purdue, δήλωσε πως οι ερευνητές μέτρησαν τη δύναμη Casimir με μεγαλύτερη ακρίβεια από κάθε άλλη φορά στο παρελθόν. Επειδή η συγκεκριμένη δύναμη μπορεί να αναγκάσει σε κίνηση μικρά αντικείμενα, μια πληρέστερη κατανόηση των αποτελεσμάτων της θα ήταν χρήσιμη για τη βιομηχανία της νανοτεχνολογίας. Κάθε επιστήμονας που δημιουργεί μία νανοσυσκευή θα πρέπει να λαμβάνει υπόψη του τη δύναμη Casimir, όπως ακριβώς ένας κατασκευαστής αυτοκίνητων πρέπει να υπολογίζει την τριβή των ελαστικών και την αντίσταση του αέρα.

Όπως οι σχεδιαστές αυτοκίνητων στοχεύουν στην ελαχιστοποίηση των τριβών στα οχήματα τους, έτσι και η ομάδα των ερευνητών επιθυμούσε να ελαχιστοποιήσει τις επιδράσεις της δύναμης Casimir, η οποία εκφράζεται ως μια ισχυρή έλξη μεταξύ μικροσκοπικών αντικείμενων που βρίσκονται σε απόσταση λίγων εκατοντάδων νανομέτρων.

Η πρόσφατη δημοσίευση τους αποτελεί ένα βήμα προόδου όχι μόνο όσον αφορά τις μετρήσεις της δύναμης Casimir, αλλά και την ικανότητα τους να διακρίνουν και πέρα από αυτήν, στις ανεπαίσθητες επιδράσεις της βαρύτητας στον νανόκοσμο, οι οποίες, σύμφωνα με τα μέλη της ομάδας, θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε πολύ δασύτερη γνώση του σύμπαντος.

Ο Ricardo Decca, βοηθός καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Indiana (Πανεπιστήμιο Purdue Indianapotts), o οποίος σχεδίασε το πείραμα, δήλωσε πως το έργο των επιστημόνων θα μπορούσε να έχει κοσμολογικές συνέπειες, αλλά αυτό εξαρτάται από τη συμπεριφορά αντικείμένων που, λόγω του πολύ μικρού τους μεγέθους, δεν είναι ορατά με γυμνό μάτι.

Παρότι η μέτρηση της δύναμης Casimir έχει πρακτική αξία για τους σύγχρονους νανομηχανικούς, αυτό που επιχειρούν οι ερευνητές είναι να ανακαλύψουν εάν η βαρύτητα συμπεριφέρεται διαφορετικά από ό,τι πιστεύουν οι επιστήμονες για αντικείμενα πολύ μικρής κλίμακας. Το πρόβλημα είναι ότι η δύναμη Casimir είναι τόσο ισχυρή σε αυτά τα μεγέθη, που ουσιαστικά «καταπνίγει» τη βαρύτητα σε τέτοιο σημείο ώστε να μη είναι παρατηρήσιμη.

Πα να επιλύσει αυτό το πρόβλημα, η ομάδα των ερευνητών τοποθέτησε μία μικρή σφαίρα χρυσού στο άκρο ενός εύκαμπτου προβόλου, ο οποίος θα μπορούσε να παρομοιαστεί με έναν βατήρα καταδύσεων. Στη συνεχεία, στερέωσαν τον πρόβολο σε μία κινητή βάση, ενώ λίγες εκατοντάδες νάνομετρα κάτω από τη σφαίρα, υπήρχε ένας δίσκος κατασκευασμένος από δύο διαφορετικά υλικά: χρυσό από τη μία πλευρά και γερμάνίο από την άλλη. Και τα δύο υλικά καλύφθηκαν έπειτα από μία πολύ λεπτή επίστρωση χρυσού.

Επειδή η επίδραση της δύναμης Casimir είναι παρατηρήσιμη σε αποστάσεις λίγων μόλις εκατοντάδων νανομέτρων, η αλληλεπίδραση της με τις χρυσές επιφάνειες της σφαίρας και του δίσκου ήταν ίδια, ανεξάρτητα από το υλικό που βρισκόταν κάτω από τη χρυσή επίστρωση. Λόγω όμως του ότι η βαρύτητα έχει ισχύ και σε μεγαλύτερες αποστάσεις, η ομάδα είχε τη δυνατότητα, μετακινώντας τη σφαίρα εμπρός-πίσω πάνω από τον δίσκο, να παρατηρεί την κάμψη του προβόλου πάνω από τα δύο τμήματα του, του γερμανίου και του χρυσού.

Ο Fischbach εξηγεί πως, επειδή το γερμάνιο έχει διαφορετική μάζα από τον χρυσό, οι ερευνητές γνώριζαν πως ο πρόβολος θα καμπτόταν περισσότερο από τη μία πλευρά εάν η βαρύτητα συμπεριφερόταν με τον αναμενόμενο τρόπο. Το ερώτημα ήταν εάν θα καμπτόταν με τρόπο διαφορετικό από εκείνον που προέβλεπε ο Νεύτων, εξαιτίας κάποιας άγνωστης απόκλισης στη συμπεριφορά της βαρύτητας σε κβαντική κλίμακα. Μία τέτοια απόκλιση, εάν παρατηρείτο, θα αποτελούσε επαναστατική ανακάλυψη, καθώς θα επέτρεπε πιθανώς στους επιστήμονες να κατανοήσουν τη σχέση μεταξύ της βαρύτητας μεγάλης κλίμακας και του μικροσκοπικού κβαντικού κόσμου στοιχειωδών φορτισμένων σωματιδίων, η οποία μέχρι σήμερα τους διαφεύγει.

Ο Fischbach εξηγεί πως ακόμη και σήμερα, οι φυσικοί είναι αναγκασμένοι να περιγράφουν τη συμπεριφορά του σύμπαντος με όρους πολλαπλών δυνάμεων: της βαρύτητας, του ηλεκτρομαγνητισμού και των ισχυρών και ασθενών πυρηνικών δυνάμεων. Η βαρύτητα, συνεχίζει ο ίδιος, συχνά φαίνεται ως η πλέον «αταίριαστη» δύναμη, καθώς οι υπόλοιπες παρατηρούνται πρωτίστως στην κβαντική κλίμακα. Η σύνδεση της βαρύτητας με τον κβαντικό κόσμο αποτελεί το «ιερό δισκοπότηρο» των φυσικών, και ο Fischbach ευελπιστεί πως το πείραμα του θα δώσει στους επιστήμονες κάποια στοιχεία σχετικά με το πώς θα την επιτύχουν.

Καμία απόκλιση από την αναμενόμενη συμπεριφορά της βαρύτητας δεν παρατηρήθηκε κατά την εκτέλεση του πειράματος, αλλά η ομάδα σκοπεύει να βελτιώσει τις μεθόδους της ώστε να πραγματοποιήσει ακόμη ακριβέστερες παρατηρήσεις την επόμενη φορά. Ο Decca αναφέρει πως οι ερευνητές επιχειρoύv να βελτιώσουν το πείραμα τους ώστε οι μετρήσείς να γίνουν ένα εκατομμύριο φορές πιο ακριβείς από ό, τι σήμερα, παρά το γεγονός ότι η ευαισθησία τους σε αυτή την κλίμακα απόστασης είναι ήδη πολύ μεγαλύτερη από οποιουδήποτε άλλου πειράματος μέχρι τώρα. Ο ίδιος πιστεύει ότι κάτι τέτοιο είναι εφικτό με την τεχνική που χρησιμοποιεί η ομάδα του. Σε περίπτωση που παρατηρήσουν αποκλίσεις βελτιώνοντας την ακρίβεία των μετρήσεων, θα αποκτήσουν μία πρώτη ιδέα όσον αφορά την κατεύθυνση που πρέπει να ακολουθήσουν για τη «Θεωρία των Πάντων».

Μέχρι να γίνει κάτι τέτοιο, αναφέρει ο Fischbach, η καλύτερη κατανόηση της δύναμης Casimir ήταν ένα επίτευγμα που θα μπορούσε να βοηθήσει και την ομάδα του αλλά και άλλους επιχειρηματικά προσανατολισμένους ερευνητές. Χωρίς να λαμβάνεται υπόψη η δύναμη Casimir, τα νανοσωματίδια ίσως συσσωρεύονται μεταξύ τους και γενικότερα οι νανοκατασκευές μπορεί να εμφανίζουν ανεπιθύμητη συμπεριφορά εξαιτίας της επίδρασης της αναπτυσσόμενης ελκτικής δύναμης. Η νέα αυτή μελέτη θα αποτελέσει πηγή χρήσιμων πληροφοριών για τα εργαστήρια σχεδιασμού της αναπτυσσόμενης βιομηχανίας της νανοτεχνολογίας.