Hiçlik Kuvveti Casimir Etkisi

Kuantum fiziği, “hiçlik“in aslında var olmadığını açıklığa kavuşturmaya başlamıştır, öyle ki vakumlar bile çok küçük elektromanyetik dalgalanmalarla doludur. Bu yeni araştırma, maddesel dünyanın en küçük düzeyinde iş başında olan tuhaf kuvvetleri, anlamaya başladığımızın ileri bir kanıtıdır.
Mükemmel bir vakumda maddeden tamamen arındırılmış bir yer sürtünme var olamaz. Çünkü boş alan, içinden geçen nesneler üzerinde bir kuvvet uygulayamaz. Ancak son yıllarda kuantum fizikçileri, vakumların aslında ışık partikülleri olan fotonlarının aktivitesine müdahale edebilen ve nesneler üzerinde ölçülebilir bir kuvvet uygulayan küçük elektromanyetik dalgalanmalarla dolu olduğunu göstermişlerdir. Buna “Casimir Etkisi” denir.

İletken, yüksüz iki levhanın birbirine paralel biçimde boşlukta konumlandırıldığını düşünelim. Klasik elektromanyetik kuram levhalara net bir elektriksel kuvvet etki etmeyeceğini söyler. Ancak gerçekte durum çok daha farklıdır. Kuantum elektrodinamiği kullanılarak yapılan hesaplar, levhalara Casimir kuvveti olarak adlandırılan bir kuvvet etki edeceğini söyler ve bu tahmin deneylerle de doğrulanır.
Kuantum mekaniği boş uzayın aslında sürekli olarak var olup yok olmakta olan sanal parçacıklarla dolu olduğunu söyler. Kuantum elektrodinamiğinde elektrik yüklü parçacıklar sanal fotonlar aracılığıyla etkileşir. Yüksüz levhalara etki eden Casimir kuvveti de sanal fotonlarla levhalar arasındaki etkileşimden kaynaklanır.
Casimir kuvveti, levhalar arasındaki mesafe makro büyüklükte olduğunda çok zayıftır. Ancak levhalar arasındaki mesafe azaldıkça kuvvet giderek büyür. Öyle ki mesafe 10 nanometre (metrenin yüz milyonda biri) civarına düştüğünde levhalara etki eden Casimir kuvvetinin büyüklüğü bir atmosfer basınç altında levhalara etki eden mekanik kuvvetle karşılaştırılabilecek düzeydedir.
Sadece iletken cisimler arasında değil yalıtkan cisimler arasında da Casimir kuvvetleri vardır. Kuvvetin itici mi yoksa çekici mi olduğu cisimlerin türüne ve biçimine göre değişir.
Casimir kuvveti ile ilgili önemli bir gelişme yakın zamanlarda yaşandı. Geçmişte özdeş (bileşimi, büyüklüğü ve biçimi aynı) iki cisim arasındaki Casimir kuvvetinin her zaman çekici olduğunu söyleyen bir teorem vardı. Ancak Qing-Dong Jiang ve Franck Wilczek, bu teoremde bir eksiklik tespit etti ve bazı durumlarda özdeş cisimler arasındaki itici Casimir kuvvetlerinin ortaya çıkmasının da mümkün olduğunu gösterdi.
Araştırmacılar, Physical Review B’de yayımladıkları makalelerinde cisimlerin arasındaki boşluğun kiral (farklı polarizasyona* sahip fotonlarla farklı biçimde etkileşen) bir malzemeyle doldurulduğu bir durumu ele alıyorlar. Farklı polarizasyona sahip sanal fotonlar, kiral malzeme içinde farklı hızlarla hareket ediyor ve bu durum Casimir kuvvetine farklı oranda katkıda bulunmalarına sebep oluyor. Araştırmacıların yaptığı hesaplar, böyle bir sistemdeki Casimir kuvvetinin cisimlerin arasındaki mesafeye bağlı olarak çekici ya da itici olabileceğini gösteriyor. İtici kuvvetin büyüklüğü sıradan bir sistemdeki çekici kuvvetin üç katına kadar çıkabiliyor. Araştırmacılar, ayrıca, harici manyetik alanların varlığında Casimir kuvvetinin büyüklüğünün değişeceğini de gösteriyorlar. Bu durum manyetik alanlar yardımıyla Casimir kuvvetinin büyüklüğünün kontrol edilebileceği anlamına geliyor.
*Polarizasyon: Işık ışınları beraberlerinde elektrik ve manyetik alan taşır. Polarizasyon elektrik ve manyetik alanların hareket sırasındaki dönme yönlerini ifade eder.
Bu etki, ilk önce fizikçiler tarafından 1948’de tahmin edilmiştir. Şimdiki yeni çalışma, bu etkinin hayal ettiklerinden daha güçlü olduğunu göstermiştir. Casimir Etkisi, sadece kuantum ölçeğinde ölçülebilir ancak, git gide küçülen teknolojide mühendisliğe başladığımızdan beri, bu kuantum etkilerinin tüm her şeyi büyük ölçüde etkileyebileceği açıkça ortaya çıkmaktadır.
ABD’deki New Mexico Üniversitesi’ndeki baş araştırmacı Alejandro Manjavacas, şu açıklamayı yapmıştır:
“Bu çalışmalar önemlidir çünkü bu tür kuvvetlerin her şeye hâkim olabileceği çok küçük boyutlara ulaştığımız nano teknolojiler geliştiriyoruz. Bu Casimir kuvvetlerinin var olduğunu biliyoruz, bu yüzden yapmaya çalıştığımız şey, bu kuvvetlerin çok küçük parçacıklar üzerindeki genel etkisini bulmaya çalışmaktır”.
Ekip Casimir kuvvetlerinin nano partikülleri daha başka nasıl etkileyebileceğini bulmak için, vakumda düz bir yüzeyin yakınında dönen nano partiküllere ne olduğunu incelediler. Buldukları şey, Casimir etkisinin aslında bu nano partikülleri yanal olarak itebileceğiydi, hatta bu partiküller yüzeye değmese bile.
Bu biraz tuhaf ama bunu şöyle düşünün:

Sürekli olarak foton bombardımanına tabi olan bir yüzey üzerinde dönen küçük bir küreye sahipsiniz. Fotonlar kürenin dönüşünü yavaşlatırken aynı zamanda, kürenin yanal yönde hareket etmesine neden olmaktadırlar.
Eğer levhalardan birini uygun bir frekansla ileri geri hareket ettirirsek, levha, oluşan sanal parçacık çiftlerinden biri diğer eşiyle buluşamadan onları ayırabilir. Bu gerçekleştiğinde geriye kalan parçacığı yok edecek anti parçacık artık bulunmadığından, ömrüne gerçek bir parçacık olarak devam eder. Aslında bu da yoktan parçacık var etmek değildir. çünkü levhayı hareket ettirirken zaten sisteme dışarıdan enerji eklemiş oluruz. Ancak bunun için levhayı neredeyse ışık hızında hareket ettirmek gerektiğinden dinamik Casimir etkisini bu şekilde gözlemlemek şu an için imkânsız görünüyor. Bu yazıda ayrıntısına girmeyeceğimiz ancak belirtmekte fayda gördüğümüz bir çalışma var. Bu da, 2011 yılında Chalmers Teknik Üniversitesinde süper iletken devreyle yapılan deney sonucunda dinamik Casimir etkisinden doğan fotonlar gözlemlenmesi üzerine bir çalışmadır.
Sanal fotonları gerçeğe çevirmek, yalnızca bilim insanlarınca laboratuvarlarda, yapay ortamlarda yapılan bir şey değil. Evrende, belki de evrenin en esrarengiz oluşumlarında yani kara deliklerde de davranışı görmek mümkün. Kara deliklerin olay ufkunda oluşan sanal parçacık çiftlerinden bazıları, bazen, çiftin birini kara deliğin muazzam kütle çekimine kaptırır ve gerçek bir parçacığa dönüşerek yoluna devam eder. Oluşan bu yeni, gerçek parçacığın enerjisi de kara deliğin kütlesinden karşılanır ve bu olay Hawking radyasyonu (ışıması) olarak bilinir. Bu, kara deliğe kütle kaybettiren bir olaydır ancak çok yavaş bir süreç olduğundan kara delikler ömürleri boyunca bu şekilde kaybettiklerinden çok daha fazla madde kazanırlar. Ancak ne yazık ki kara deliklerin bu şekilde kütle kaybettiği henüz gözlemlenemedi.