Эффект Казимира, или квантовая теория поля на коленке

Проф. П.К.Силаев

Квантовая теория поля - это наука о том, из чего все сделано. До недавнего времени основным приложением КТП было описание тех кусочков, на которые распадается любой объект, если по нему хорошенько стукнуть (физика высоких энергий). Чтобы стукнуть, нужны коллайдеры типа LHC. Однако давно известны и более тонкие низкоэнергетические эффекты, к которым приводит КТП - лэмбовский сдвиг, аномальный магнитный момент, эффект Казимира. Надо понимать, что нанофизика - это не только Роснано. Это еще и нанопровода и наномеханизмы. Для этих объектов эффект Казимира играет очень большую роль, обычно отрицательную. Детали наномеханизмов слипаются в комок, иногда ломаются - из-за сил Казимира. Однако иногда эти силы оказываются силами отталкивания, и есть надежда, что это можно использовать: механизмы без трения в осях, передачи без механического контакта, и т.д. Посчитать силу Казимира - это довольно большое и увлекательное приключение: во-первых, КТП, как обычно, дает бесконечный ответ, и от этой бесконечности надо избавиться (перенормировка), во-вторых, довести ответ до числа - это довольно сложный численный счет. Но в результате может получиться изумительная по красоте картинка с отталкиванием [K.A. Milton et. al. Phys. Rev. D 85, 025008 (2012)]:

Здесь показано, как сила f, действующая между иголкой и металлическим клином, меняет знак, т.е. как притяжение заменяется на отталкивание (ϕ - полярный угол, определяющий положение иголки относительно клина; разные кривые соответствуют разным углам раствора клина).

Или еще более красивая картинка с отталкиванием [R. Zhao, et. al. , Physical Review B 83, 075108 (2011)]:

Здесь в дважды логарифмической шкале приведена зависимость энергии Е взаимодействия двух диэлектрических пленок, нанесенных на металическую подложку, как функция расстояния d между ними. Разные кривые соответствуют разной толщине пленок D. Хорошо видны минимумы энергии, которые соответствуют положениям равновесия. В этих точках притяжение переходит в отталкивание.