לפענח את כוח קזימיר המסתורי

מחקר חדש של פרופ' יוסף אמרי, מהמחלקה לפיזיקה של חומר מעובה במכון ויצמן למדע, הציע באחרונה הסבר לאחד מהיבטיו החשובים של הכוח המיסתורי הזה. הסבר זה עשוי לסייע בעיצובן של ננו-מערכות יעילות יותר.

הפיזיקה הקלאסית מתייחסת לריק כאל מערכת דוממת שלא מתחוללת בה תנועה. לעומת זאת, תורת הקוונטים רואה את הריק כמערכת דינמית ומורכבת למדי. בשנת 1948 חקר הפיזיקאי ההולנדי הנדריק קזימיר את תכונותיו הפיזיקליות של הריק, על-פי תפיסת הפיזיקה הקוונטית. הוא חישב ומצא, שכאשר שדות אלקטרומגנטיים הנתונים בריק עולים, יורדים ו"נעים", צריך לפעול כוח משיכה ייחודי בין שני לוחות מקבילים שיימצאו באותה מערכת ריק. כוח זה נקרא על שמו, כוח קזימיר.

נבואה זו אומתה במספר ניסויים שבוצעו באחרונה. פרופ' אמרי מגדיר את עצמו כ"נכדו האקדמי" של קזימיר, שהיה המנחה לדוקטורט של המנחה לדוקטורט של אמרי, פרופ' ישראל פלח מהמרכז למחקר גרעיני שורק. אמרי הוא אחד ממייסדי המחקר בפיזיקה מזוסקופית, המתמקדת במתרחש במערכות פיזיקליות שגודלן "בינוני", בין המערכות הגדולות שנשלטות על-ידי תורת היחסות, לבין המערכות המיקרוסקופיות הנשלטות על-ידי תורת הקוונטים. במובן מסוים, פיזיקה מזוסקופית הוא השם המקורי, ה"קדום", של מה שכיום מכנים מדעי הננו.

אפשר לראות את כוח קזימיר כמעין הפרש בין הלחץ של הקרינה שבין הלוחות המקבילים הנתונים בריק, לבין לחץ הקרינה המגיעה מכל הכיוונים אל צדם החיצוני של הלוחות. למשל, אם הלחץ החיצוני גדול יותר מהלחץ שבין הלוחות, ייהדפו הלוחות זה לעומת זה, מה שעשוי להיראות כתוצאת פעולה של כוח משיכה ייחודי הפועל ביניהם.אבל פרופ' אמרי חישב ומצא, שבתנאים מסוימים, לחץ הקרינה החיצוני קטן מהלחץ הפנימי, מה שעשוי לגרום להתרחקות של הלוחות זה מזה, כאילו פועל ביניהם כוח דחייה. ממצא זה סותר חישובים קודמים.

הנה שלושה תסריטים להדגמת התופעה:אם מציבים לוח מתכת בין שתי סביבות שונות, כגון מים ואוויר, כוח קזימיר יפעל בכיוון הסביבה המגיבה בעוצמה פחותה יותר לנוכחותו של שדה חשמלי. פרופ' אמרי מנבא, שככל שהלוח יהיה דק יותר, יפעל עליו לחץ קרינה חזק יותר. במערכת של שני לוחות שביניהם תווך, ומצדם החיצוני מצוי ריק, והם קרובים מאוד זה לזה, יפעל ביניהם כוח משיכה. אבל, במרחקים גדולים עשוי כוח המשיכה להפוך לכוח דחייה.

מחקרו החדש של פרופ' אמרי עשוי לסייע בפתרון הבעיה, ובפיתוח פתרונות עיצוב טובים יותר להתקנים ננו- מכניים.