ما هو تأثير كاسيمير؟

تأثير كاسيمير، هو قوة جاذبة صغيرة تعمل بين لوحين غير مشحونين متوازيين قريبين من بعضهما؛ نتيجةً لتقلبات فراغ الكم للمجال الكهرومغناطيسي.

وقد تُوقِع هذا التأثير من قبل الفيزيائي الهولندي (هندريك كاسيمير- Hendrick Casimir) عام1948م، ووَفقًا لنظرية الكم، يحتوي الفراغ على جسيمات افتراضية تكون في حالة مستمرة من التذبذب، حيث أدرك كاسيمير أن تلك الفوتونات الظاهرية التي أطوال موجاتها تناسب عددًا صحيحًا من المرات في الفجوة، يجب أن تُحسب عند حساب طاقة الفراغ بين لوحين، وتنخفض كثافة الطاقة كلما اقتربت اللوحات، مما يعني أن هناك قوة صغيرة تجمعها معًا.

يمكن حساب قوة كاسيمير الجذابة بين لوحين من المنطقة A مفصولةً بمسافة L لتكون العلاقة:
π h c

F = ——- A

480 L4

حيث h هو ثابت بلانك و c هو سرعة الضوء

وتم قياس قوة صغيرة في عام 1996 بواسطة (ستيفن لاموروكس- Steven Lamoreaux) وكانت نتائجه تتفق مع النظرية (إلى عدم اليقين التجريبي بنسبة 5٪).

الجسيمات الأخرى غير الفوتونات تسهم أيضا بتأثير صغير، بيد أن قوة الفوتون هي الوحيدة القابلة للقياس، جميع (البوزونات – bosons ) مثل الفوتونات تنتج قوة كاسيمير جاذبةً، في حين (فرميونس- fermions) تنتج قوة طاردةً، لو كانت القوه الكهرومغناطيسية فائقة التماثل سيوجد فيرمونات، ومن ثم ستؤدي إسهاماتها لإلغاء تلك الفوتونات تمامًا، ولن يكون هناك أي تأثير لقوة كاسيمير، والحقيقة أن تأثير كاسيمير يظهر إذا كان التناظر الفائق موجود في الطبيعة، ويجب أن يكون ذلك التماثل مكسورًا.

وَفقا لنظرية (مجموع طاقة نقطة الصفر-the total zero point energy ) في الفراغ، هو لانهائي عندما لُخِّصَ على جميع حالات الفوتون الممكنة، وتأتي آثار كاسيمير من اختلاف الطاقات التي تُلغَى فيها اللانهاية.

إن طاقة الفراغ لغز في نظريات (الجاذبية الكمومية – quantum gravity)؛ لأنه يجب أن يتصرف بفعل الجاذبية، وينتج (ثابتًا كوزميولوجيًا – cosmological constant) كبيرًا، من شأنه أن يسبب التجاعيد للزمكان، ومن المتوقع التوصل إلى حل للتناقض في نظرية الجاذبية الكمومية.

بعض الأمثلة:

دعونا نرى كيف أن القوة كبيرة حقًا في الممارسة العملية، حيث L هو في المقام، أكبر L سنحصل عليها، وأصغر قوة؛ ولأن القوة تحدث كقوة رابعة لـ L، فإن الإنزال مع زيادة المسافة سيكون ضخمًا حقًا؛ لذلك دعونا نجعل L صغيرةً، ونقول بأن واحد ميكرون مع واحد متر مربع من لوحات كبيرة معًا:

π × 6.6 × 10-34 × 3 × 108 × 1

F = —————————— newtons

480 × 10-24

أو 1.3 mN، حيث وزن 1 كجم هو حوالي 10 N، ومن ثَم 1.3 مليون طن هو وزن 0.13 غرام، وهي صغيرة جدًا، ومع ذلك قابلة للقياس، وإذا وضعنا لوحين من 1 متر مربع، سيكون الجزء الميكرونى صعبًا في الممارسة العملية، وإذا استخدمنا لوحات أصغر، ستنتج قوة أصغر، على سبيل المثال:

لوحات بمساحة 1 سنتيمتر مربع وُضِعَت جانبها 1 ملليمتر، سنشعر بقوة تعادل وزن 10-17 غرام، وهو أصغر بكثير!