A Casimir effektus és a fizikai vákuum

Hasonló dokumentumok
Van-e a vákuumnak energiája? A Casimir effektus és azon túl

Erő a vákuumból: a Casimir effektus

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe. 4. (e) Kvantummechanika. Utolsó módosítás: december 3. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

Az optika tudományterületei

Egyesített funkcionális renormálási csoport egyenlet

Fizika II minimumkérdések. A zárójelben lévő értékeket nem kötelező memorizálni, azok csak tájékoztató jellegűek.

A kvantummechanika kísérleti előzményei A részecske hullám kettősségről


Idegen atomok hatása a grafén vezet képességére

AZ ELEKTRON MÁGNESES MOMENTUMA. H mágneses erœtérben az m mágneses dipólmomentummal jellemzett testre M = m H forgatónyomaték hat.

Pósfay Péter. arxiv: [hep-th] Eur. Phys. J. C (2015) 75: 2 PoS(EPS-HEP2015)369

Foton-visszhang alapú optikai kvantum-memóriák: koherens kontroll optikailag sűrű közegben

Feketetest sugárzás. E = Q + W + W sug. E = Q + W + I * dt. ELTE II. Fizikus, 2005/2006 I. félév KISÉRLETI FIZIKA Hıtan (XI.

Lagrange és Hamilton mechanika

Röntgensugárzás az orvostudományban. Röntgen kép és Komputer tomográf (CT)

Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata

Fényelnyelés (Abszorbció) I o = I R + I T + I S + I A (R- reflexió; T- transzmisszió; S - szórás; A - abszorbció)

Elektrosztatikus számítások. Elektrosztatikus számítások. Elektrosztatikus számítások. Elektrosztatikus számítások Definíciók

Fizika M1 - A szilárdtestfizika alapjai. Gépészmérnök és Energetikai mérnök mesterszak

Az elektron-foton kölcsönhatás (folyamatok)

1. Az üregsugárzás törvényei

Beugró kérdések. Elektrodinamika 2. vizsgához. Számítsa ki a gradienst, divergenciát és a skalár Laplace operátort henger koordinátákban!

Bevezetés a részecske fizikába

Orvosi Biofizika I. 12. vizsgatétel. IsmétlésI. -Fény

Friedmann egyenlet. A Friedmann egyenlet. September 27, 2011

Az Einstein egyenletek alapvet megoldásai

A femtoszekundumos lézerektől az attoszekundumos fizikáig

FIZIKA II. Dr. Rácz Ervin. egyetemi docens

Axion sötét anyag. Katz Sándor. ELTE Elméleti Fizikai Tanszék

A hőmérsékleti sugárzás

Alkalmazott spektroszkópia

Erős terek leírása a Wigner-formalizmussal

Molekuláris dinamika I. 10. előadás

A Mössbauer-effektus vizsgálata

Fizika 1 Elektrodinamika beugró/kis kérdések

Kvantummechanika. - dióhéjban - Kasza Gábor július 5. - Berze TÖK

Vezetők elektrosztatikus térben

Energiatételek - Példák

BKT fázisátalakulás és a funkcionális renormálási csoport módszer

Mágneses monopólusok?

dinamikai tulajdonságai

Gyakorlat anyag. Veszely. February 13, Figure 1: Koaxiális kábel

Hegedüs Árpád, MTA Wigner FK, RMI Elméleti osztály, Holografikus Kvantumtérelméleti csoport. Fizikus Vándorgyűlés Szeged,

Molekuláris dinamika. 10. előadás

Differenciálegyenletek numerikus integrálása április 9.

Kvantumos jelenségek lézertérben

MSC ELMÉLETI FIZIKA SZIGORLAT TÉTELEK. A-01. Tétel A KLASSZIKUS FIZIKA ÉS A NEMRELATIVISZTIKUS KVANTUMMECHANIKA ALAPEGYENLETEI.

A spin. November 28, 2006

Az Ampère-Maxwell-féle gerjesztési törvény

Explicit hibabecslés Maxwell-egyenletek numerikus megoldásához

-2σ. 1. A végtelen kiterjedésű +σ és 2σ felületi töltéssűrűségű síklapok terében az ábrának megfelelően egy dipól helyezkedik el.

alapvető tulajdonságai

Evans-Searles fluktuációs tétel

Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata

Koherens lézerspektroszkópia adalékolt optikai egykristályokban

A csillagközi anyag. Interstellar medium (ISM) Bonyolult dinamika. turbulens áramlások MHD

Elektromágneses hullámok

A Lederman-Steinberger-Schwartz-f ele k et neutrn o ks erlet

Atomfizika. A hidrogén lámpa színképei. Elektronok H atom. Fényképlemez. emisszió H 2. gáz

Dr. Berta Miklós. Széchenyi István Egyetem. Dr. Berta Miklós: Gravitációs hullámok / 12

László István, Fizika A2 (Budapest, 2013) Előadás

A hőterjedés dinamikája vékony szilikon rétegekben. Gambár Katalin, Márkus Ferenc. Tudomány Napja 2012 Gábor Dénes Főiskola

Diszkrét Matematika. zöld könyv ): XIII. fejezet: 1583, 1587, 1588, 1590, Matematikai feladatgyűjtemény II. (

Az Univerzum felforrósodása

Relativisztikus pont-mechanika

3. (b) Kereszthatások. Utolsó módosítás: április 1. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

11. tétel - Elektromágneses sugárzás és ionizáló sugárzás kölcsönhatása kondenzált anyaggal, áthatolóképesség, záporjelenségek.

Lemez- és gerendaalapok méretezése

3.1. ábra ábra

1. fejezet. Gyakorlat C-41

Kvantummechanika gyakorlat Beadandó feladatsor Határid : 4. heti gyakorlatok eleje

Kvantum renormálási csoport a

Atomfizika. Az atommag szerkezete. Radioaktivitás Biofizika, Nyitrai Miklós

Magszerkezet modellek. Folyadékcsepp modell

Holográfia a részecskefizikában

Fermi Dirac statisztika elemei

Hőmérsékleti sugárzás

Modern Fizika Labor. 2. Elemi töltés meghatározása

Stern Gerlach kísérlet. Készítette: Kiss Éva

Elméleti zika 2. Klasszikus elektrodinamika. Bántay Péter. ELTE, Elméleti Fizika tanszék

u u IR n n = 2 3 t 0 <t T

Atomok és molekulák elektronszerkezete

Kevert állapoti anholonómiák vizsgálata

a térerősség mindig az üreg falára merőleges, ezért a tér ott nem gömbszimmetrikus.

Geofizikai kutatómódszerek I.

Diffúzió. Diffúzió sebessége: gáz > folyadék > szilárd (kötőerő)

2, = 5221 K (7.2)

Radioaktivitás. 9.2 fejezet

Euleri és Lagrange szemlélet, avagy a meteorológia deriváltjai

2012. október 23. Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Részecske- és magfizikai szeminárium 1 / 18

Kifejtendő kérdések június 13. Gyakorló feladatok

Stacionárius tengelyszimmetrikus terek a Kerr-Newman téridő

Gyakorlat 30B-14. a F L = e E + ( e)v B képlet, a gravitációs erőt a (2.1) G = m e g (2.2)

Lendület. Lendület (impulzus): A test tömegének és sebességének szorzata. vektormennyiség: iránya a sebesség vektor iránya.

Az elméleti mechanika alapjai

A talajok összenyomódásának vizsgálata

SEMMELWEIS EGYETEM. Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport. TRANSZPORTFOLYAMATOK biológiai rendszerekben.

Kvantumos információ megosztásának és feldolgozásának fizikai alapjai

1. Számsorok, hatványsorok, Taylor-sor, Fourier-sor

Termodinamika (Hőtan)

Átírás:

A Casimir effektus és a fizikai vákuum Takács Gábor MTA-ELTE Elméleti Fizikai Kutatócsoport ELTE Fizikai Intézet, Ortvay Kollokvium 2008. december 4.

Vázlat 1 Bevezetés: QED és a Casimir effektus története dióhéjban 2 Casimir effektus és nullponti energia 3 Gravitációs effektusok 4 Összefoglalás 5 Jelenlegi kutatási irányok

Az elektromágneses mező kvantumelmélete A relativisztikus kvantumelektrodinamika (QED) megalkotása 1948: Feynman, Schwinger, Tomonaga (Nobel-díj: 1965) L = 1 4 F µνf µν + ψ ( iγ µ ( µ + iea µ ) m ) ψ F µν = µ A ν ν A µ A foton és az elektron/pozitron elmélete (Kezdetek: Dirac, Pauli, Weisskopf, Jordan; 1927-)

A QED kísérleti igazolása α = e2 4πε 0 hc finomszerkezeti állandó Elektron mágneses nyomatéka: 1/α = 137.035999710(96) Visszalökődés atommagokon: 1/α = 137.03599878(91) Hiperfinom felhasadás (müonium): 1/α = 137.035994(18) Lamb eltolódás: 1/α = 137.0368(7) Kvantum Hall effektus: 1/α = 137.0359979(32) QED: quod erat demonstrandum a legpontosabban igazolt fizikai elmélet!

A Casimir effektus története dióhéjban Két tökéletes vezető lemez között vákuumban vonzóerő lép fel (Casimir, 1948) F A = hcπ2 240a 4 A QED makroszkopikus jóslata: 1 µm távolság esetén 8.169 10 3 Pa Lamoreaux, 1996: kísérleti egyezés (5%-os pontosság)

Naív levezetés I: a zérusponti fluktuációk Kvantált elektromágneses mező: Fourier módusok ω = c k, két polarizációs állapot Harmonikus oszcillátor alapállapoti energiája E 0 = 1 2 hω Ebből a teljes térfogati energiasűrűségre jókora végtelen adódik: 2 h 2 d 3 k (2π) 3 c k =

Naív levezetés II: a vákuumenergia megváltozása véges d 3 k Λ és a kölcsönhatási energia 0 k 2 dk dω k E(a) Λ = Λ 1 2 hω plates Λ 1 2 hω vacuum ennek van értelme Λ után, az erő pedig F (a) = a E(a) Λ=

Casimir erő nullponti energia? Rejtély: ha elfogadjuk a zérómódusokat, akkor a vákuumban nagyon nagy energiasűrűség van. Realisztikusan: a kvantumtérelmélet (Standard Modell) biztos igaz kb. 10 3 GeV energiáig. Ha Λ 1 TeV: E V J 1047 m 3 Ha Λ = M Planck 10 19 GeV (kvantumgravitáció!) akkor pedig E V J 10110 m 3 Hogyan lesz ebből egy ennyire kicsiny effektus?

Planáris eset: defektek Bajnok, Palla & Takács 2006: szisztematikus hosszútávolságú kifejtés k κ k z= 0 z= a E A (a) = ω(κ, k ) = d D 1 k (2π) D 1 0 R α (ω, dκ 2π K 2 α(κ, k )K 2 β (κ, k )e 2ω(κ, k )a + O ( e 3ma) m 2 + κ 2 + k 2, K 2 α(κ, k ) = R α (ω iκ,k iω(κ, k )) Nincs UV divergencia, minden véges, fizikai mennyiségekkel (+analitikus elfolytatás) van kifejezve. Működik kölcsönható térelméletre + nemlineáris határfeltételre is. k )

Tetszőleges geometria, lineáris mezők Emig, Graham, Jaffe & Kardar 2007 Z(C ) = Tr e h ī H C T = [DΦ] C e h ī S[Φ] Σ1 Σ 2 Φ( x,t + T ) = Φ( x,t) és pl. Φ C = 0 h Z(C ) h E C = lim ln = T i T Z n 2 (ω n ω n, ) Időfüggetlen C : Fourier kifejtés a mezőre C = α Σ α Φ( x,t) Φ( x,ω) E C = hc dκ ln Z C (iκ) π 0 Z (iκ) Z C (ω) = [DΦ( x,ω)] C e h ī T d 3 x(ω 2 Φ( x,ω) 2 Φ( x,ω) 2 )

Casimir erő=fluktuáló töltések kölcsönhatása Határfeltételek: Lagrange-multiplikátorok [DΦ( x)] C = [DΦ( x)] [Dρ α ( x)dρ α( x)]e i Σα d 3 x(ρ α ( x)φ( x)+c.c.) α }{{} funkcionál Dirac-delta ρ α : fluktuáló felületi töltés Σ α -n Q α,lm multipólusok. { Z C (k) = [Dρ α ( x)dρ α( x)]exp k α 2 Q ( ) α,lm T 1 α Q lm,l m α,l m α lm,l m } k 2 ( ) Uαβ Q lm,l m α,l m c.c. E C = hc π Qα,lm α β lm,l m 0 dκ ln detm C (iκ) detm (iκ) M(k) = 1 U 12 U 1N T 1 2 U 2N...... U N1 U N2 T 1 N T 1 U 21

Két test esetén Pl. két testre: E 12 (C ) = hc π 0 dκtrln ( 1 T 1 U 12 T 2 U 21) Formula két dimenzióban: E 12 (L) = hc dκ ln(1 e 2κL R 1 (iκ)r 2 (iκ)) π 0 ahol R 1,2 (ω) az ω frekvenciájú módus reflexiós együtthatója a peremeken és e 2κL = e 2iωL = e 2i k L, ω = k Vagyis itt: T 1 U 12 = e iωl R 1 (ω) és T 2 U 21 = e iωl R 2 (ω). Casimir kölcsönhatás a fluktuáló felületi töltésekre kiátlagolt erő Emig, Graham, Jaffe & Kardar (2007) Tökéletesen véges, konvergens, fizikailag értelmes eredmény

Mi az elektromágneses mező energiája? Egy ponttöltés energiája E = Teljes mező energia: e 4πε 0 r 2 E = 1 2 ε 0E 2 e 2 = 32π 2 ε 0 r 4 r 0 4πr 2 E dr = e2 8πε 0 r 0 r 0 = 0: divergens! Renormálás alapötlete: e2 m phys c 2 = m 0 c 2 + 8πε 0 r 0 m phys : a fizikai tömeg, csak ez mérhető, mivel a mező nem kapcsolható ki!

Az elektron sugara Fizikai tömeg m phys c 2 = m 0 c 2 + e2 8πε 0 r 0 m 0 = 0: klasszikus elektronsugár r 0 10 15 m Jelenlegi kísérletek: r 0 < 10 18 m QED sajátenergia: ( ( ) ) m 0 c 2 = m phys c 2 1 3α λ 2 4π log Compton r0 2 + 1 + O(α 2 ) 2 λ Compton = 2.4263102175(33) 10 12 m r 0 10 18 m : 5% korrekció. Elméleti határ: m 0 > 0 r 0 > 10 136 m

Két ponttöltés E(d) = E = E1 + E 2 E = 1 2 ε 0 E 2 Két ponttöltés egymástól d távolságra d 3 xe továbbra is divergens, ha r 0 = 0 de: E(d 1 ) E(d 2 ) = e ( 1e 2 1 1 ) 4πε 0 d 1 d 2 véges! Kölcsönhatási energia: E int (d) = e 1e 2 4πε 0 d Egyszerűen azért működik, mert W Lorentz = d 3 x E

Casimir effektus és van der Waals erő van der Waals erő = fluktuáló dipólusok közti kölcsönhatás H int = d 1 d 2 r 2 3( d 1 r)( d 2 r) V eff = m 0 r 5 0 H int m m H int 0 E 0 E m Casimir eredetileg ezt próbálta relativisztikusan megfogalmazni és valóban: r 6 Casimir effektus = relativisztikus vdw

Gravitációs effektusok. Az ekvivalencia elv Kötési energia: tömegdefektus Kémiai kötések: m/m = 10 9 EM energiára az ekvivalencia elv legalább 10 3 pontossággal érvényes! Az elektromágneses energia és impulzus is gravitál!

Energia-impulzus és az Einstein egyenlet Einstein legnagyobb tévedése : R µν 1 2 g µνr + λg µν = 8πG c 4 T µν vagy másképp: T (λ ) µν = c4 λ 8πG g µν Tµ ν = E p p p λ olyan anyag, amire p = E ZPE?? T 00 = E ( ) Λ 4 V J 1047 1TeV m 3

FRW kozmológia Nagy léptékben az Univerzum sík, de tágul: ds 2 = c 2 dt 2 a(t) 2 (dx 2 + dy 2 + dz 2 ) Friedman-Robertson-Walker kozmológia: H(t) 2 = 8πG 3c 2 E (t) A tágulás sebessége nem állandó: H(t) = ȧ a ä a = 4πG (E + 3p) 3c2 Közönséges anyag: E,p > 0 a tágulásnak lassulnia kellene!

Sötét energia Kozmológiai mérések: a tágulás gyorsul! Sötét energia: p = we és w < 1/3 Mérések: E 5.4 10 10 J m 3 w = 1.00 ± 0.05

ZPE és sötét energia Nullponti rezgésekkel Λ energián levágva: ( ) Λ 4 E 10 47 J 1TeV m 3 Mérések: E 5.4 10 10 J m 3 nullponti energia nem gravitálhat, Casimirhoz sem kell! minek egyáltalán ilyenről beszélni? Csak félreértések forrása! Megjegyzés: kompakt extra dimenziók ( 10 µm) Casimir energiája, vagy az ún. dinamikai Casimir effektus lehet esetleg kozmológiailag releváns.

Hogy esik a Casimir energia? Két parallel lemez között 1 T µν = u 1 1 3 θ(z)θ(a z) u = π2 hc z= 0 z= a 1440a 4 Megjegyzések: 1. Térfogati divergencia ( ZPE ) triviálisan eliminálva. u 0 = h 2 d 3 k (2π) 3 c k (kívül-belül jelen van) 2. Felületi divergencia z 4 lemezek tömegének renormálása.

Fermi koordináták Gravitációs energia gyenge tér közelítésben: E g = d 3 x h µν ( x)t µν ( x) Probléma: E g nem mértékinvariáns! h µν h µν + µ ξ ν + ν ξ µ : E g = 2 d 3 xξ µ ν T µν márpedig ν T µν 0: a lemezekre erő hat! Megoldások: (a) egyensúly létrehozása (pl. gáz a lemezek között) (b) lokálisan inerciális koordinátarendszer (K.A. Milton et al.): Fermi koordináták: g ij kvadratikus az adott ponttól vett távolságban F A = E g ahol E a Casimir energiasűrűség, g a lokális nehézségi gyorsulás (c=1).

Összefoglalás 1 Térfogati divergencia: értelmetlen, ZPE nincs! 2 Casimir effektus= fluktuáló töltések közti erő (relativisztikus van der Waals). 3 Felületi divergencia: Casimir sajátenergiánál lép fel. Eliminálandó renormálással: levágási skála alatt pontosabb mikroszkopikus anyagmodell kell. ~ z 4 T 00 z Einstein-Maxwell egyenletek disztribúció forrással (Fulling et al.) 4 Van-e értelme a Casimir sajátenergiának? Egyesek vitatják, mások mellette érvelnek. ld. Boyer eredménye: σ sphere = 0.04618 hc R 2

Új mérési eljárások AFM (Atomic Force Microscope), érzékenység elvileg akár 10 17 N (elért: 10 Torziós mérleg 13 N) Si-lap, dielektromos állandója lézerrel (Capasso, Harvard) modulálható (U. Mohideen et al., UC Riverside) Lamoreaux: 5% jelenleg egy nagyságrenddel jobb pontosság!

Geometria függés PFA (Proximity Force Approximation): felületi egyenetlenségekre átlagoljuk a planáris erőt (ezt használják a mai kísérletek analízisekor). Feltétele: λ c z A. Cél: kimérni az eltérést a PFA-tól! hideg atom technikák, BEC (Dalvit, LANL) Az árkolt felületen a plató felett PFA az oldalirányú erőre zérust ad. Nemzérus laterális erő frekvencia eltolódás.

Hőmérséklet, anyagi minőség Drude modell: (U. Mohideen et al.) ε(ω) = 1 ω2 plasmon ω(ω + iγ) ω 1 ha ω kicsi Probléma: TE nullmódus járuléka ellentmond a termodinamika 3. főtételének és a kísérletekkel se egyezik! Jelenleg vita az irodalomban: Mostepanenko: ω = 0 módusra véges mintán nem érvényes a Drude modell, plazmon tagok összegével kell befittelni ε-t. Brevik: figyelembe kell venni γ T -függését vagy más ε(ω) elméleti formulát kell használni?

Vákuum kettőstörése, axionok L effective = 1 2 ( E 2 B 2) + ξ 2 ( ( E 2 B 2) 2 + 7 ( E B ) 2 ) he 4 ξ = 45πm 4 c 7 n 4 10 24 (B ext /1Tesla) 2 PVLAS (Polarizzazione del Vuoto con LASer, INFN, Padova) QED-hez még nem elég érzékeny (10 4 ) és még nincs jel! Axionok és shining light through walls

Axionok L = 1 2 µa µ a 1 2 m2 aa 2 + 1 2 ( ε E 2 B 2) g a a E B (University of Florida and Lawrence Livermore National Laboratory)

Dinamikai Casimir effektus Időfüggő határfeltételek: foton keltés (Casimir dugattyú). Probléma: mikrohullámú rezonátorban ω GHz! MIR (Motion Induced Radiation) kísérlet (Padova) 2008-ra ígérték, de még mindig készül...

Nem-Newtoni gravitáció V (r) = α e r/λ r