100 великих достижений в мире техники

Взлететь, подобно Ариэлю… Это мечта не только фантастов, но и многих ученых. Явление, позволяющее материальному телу свободно перемещаться в пространстве, они издавна называют левитацией (от греч. levitas – «подъем»).

Магнитная левитация. Этот термин появился еще в начале прошлого века. Однако придумать название – вовсе еще не значит понять суть явления. Всеобщей теории левитации нет и по сию пору, но наука не стоит на месте.

За это время исследователи довольно подробно разобрались, например, в магнитной левитации, могут проделать, скажем, такой фокус – повесить в воздухе вращающийся волчок.

Суть фокуса проста. Для его выполнения нужно сделать волчок из ферромагнетика – небольшого кольцевого магнитика. Такое магнитное кольцо, только побольше, служит основанием. Прикройте его плоской пластиной их плексигласа или, на худой конец, просто фанеркой и крутаните волчок. И у вас на глазах произойдет маленькое чудо – волчок поднимется в воздух и провисит около минуты, а то и больше.

Магнитная левитация теперь с успехом применяется на железнодорожном транспорте. Уже пущены первые линии, где поезда обходятся без колес – они как бы летят над дорогой, опираясь на невидимые силовые линии магнитного поля.

Следующий вероятный шаг на этом пути – освоение электростатической левитации. Как известно, разноименные электростатические заряды тоже имеются свойство притягиваться друг к другу, а одноименные – отталкиваться. Словом, тут намечается почти полная аналогия с левитацией магнитной.

Эффект Казимира. А недавно исследователи обратили внимание и на уже упоминавшийся эффект Казимира, названный так по имени голландского физика Хендрика Казимира (1909–2000), предсказавшего его еще 1948 году, и позднее подтвержденный экспериментально.

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.