Boşluktan Gelen Güç : Casimir Etkisi

Mikro-makinelerden birleşik doğa teorilerine kadar her şeyi etkileyebilen, bir vakumda (boşlukta) iki yüzey arasındaki çekme kuvveti olabilirmi? Boşluktan gelen çekim kuvveti ile enerji üretimi yapılabilir.

Bundan yaklasık 50 yıl önce fizikçi Hendrik Casimir, mikro-makinelerden birlesik doga teorilerine kadar her seyi etkileyebilen, bir vakumda (boslukta) iki yüzey arasındaki çekme kuvveti olabilecegini önerdi. Boslukta iki aynayı bir biriyle yüz yüze ve küçük aralıklı duruma getirirseniz ne olur? Ýlk reaksiyonunuz “hiçbir sey” olabilir. Fakat gerçekte, her iki ayna, basit vakum sonucu birbirini karsılıklı olarak çekerler. Ýste bu etkiyi Hollandalı teorik fizikçi Hendrik Casimir 1948 yılında, Eindhoven’da Philips Arastırma Laboratuvarı’nda, tüm nesnelerde colloidal çözeltiler üzerine arastırma yaparken bu fenomeni önerdi. Bu colloidal çözeltiler; mikron boyutlu parçacıklar içeren bir sıvı karısımında, boya ve mayenozda oldugu gibi, viskoz materyallerdir. Böyle çözeltilerin özellikleri nötral atomlar ve moleküller arasında mevcut olan, uzun erimli ve çekici Wan der Waals kuvvetleri tarafından belirlenir. Iki ayna arasındaki kuvvet Casimir kuvveti olarak, bu fenomen ise Casimir etkisi olarak bilinir.

Casimir etkisi yıllarca teorik merak konusu oldu. Bu fenomene ilgi son yıllarda daha da arttı. Deneyci fizikçiler, mikro-makinelerin çalısmalarını etkileyen Casimir kuvvetini, çok duyarlı ölçüm aletleri gelistirerek, gözlediler. Bu konuda temel fizik tarafından yeni atılımlar da yapıldı. Bir çok teoriysen, 10 veya 11 boyutlu temel kuvvetlerin bilesik alanlar teorisinde “büyük” fazladan boyutların varlıgını öngörmektedir. Onlar, bu boyutların, milimetrenin altındaki uzaklıklarda, klasik Newton kütle çekimini degistirebilecegini söylüyorlar. Casimir etkisinin ölçümü, çok daha sonra, böyle radikal düsünceleri test etmek için fizikçilere yardımcı
olabilir.

Casimir kuvveti her ne kadar tam bir karsı-sezgi gösterirse de, gerçekte iyi anlasılır. Klasik mekanigin ilk zamanlarında vakum düsüncesi oldukça basitti. Vakum, bir kabın tüm parçacıklarının (içindeki gazın) bosaltılıp sıcaklıgının mutlak sıfıra indirildigi durumdur. Kuantum mekaniginin gelmesiyle vakum anlayısı tamamıyla degisti. Belirli elektromanyetik alanlarda tüm alanlar (parçacıklar) titresim yaparlar. Bir baska deyisle, bir sabit etrafında aktüel degeri degisen, verilen her hangi bir moment, bir ortalama degere sahiptir. Mutlak sıfırda bile, kusursuz bir vakumda bile, bir fotonun yarı enerjisine karsılık gelen ortalama
enerjide, “ vakum salınımları (titresimleri) “ olarak bilinen salınımlar mevcuttur.
Bununla birlikte, vakum salınımları bir fizikçinin zihninde soyut degildir. Onlar, makroskopik ölçekli deneylerde dogrudan canlandırılabilen, gözlenebilir sonuçlara sahiptirler. Örnegin, uyarılmıs seviyedeki bir atom uzun süre uyarılmıs kalamaz, kendiliginden foton salarak taban durumuna geri döner. Bu fenomen
vakum salınımlarının bir sonucudur. Bir kursun kalemi parmagınızın ucunda dik durdurmaya çalısın. Eger eliniz tamamen kararlı ise kalem orada duracak (kalacak), degilse denge bozulacaktır. Fakat çok-çok zayıf bozulma (sapma), kalemi daha kararlı bir denge konumuna getirecektir. Benzer olarak, vakum salınımları uyarılmıs bir atomun taban durumuna inmesine sebep olur.

Casimir kuvveti vakum (bosluk) salınımlarının en çok tanınmıs mekanik etkisidir. Iki ayna arasında bir bosluk oldugunu düsünün (sekildeki gibi). Tüm elektromanyetik alanlar çok farklı frekansları içeren bir karakteristik “spektrum”a sahiptir. Serbest bir vakumda tüm frekanslar esit öneme sahiptir. Fakat bosluk (oyuk) içerisinde, aynalar arasında ileri-geri yansıyan alanda, durum farklıdır. Alan, bosluk içerisine, yarım dalga boyunun tam katları, tam olarak uyabiliyorsa çogaltılır. Bu dalga boyu “oyuk (bosluk) rezonansına”
karsılık gelir. Diger dalga boylarında, aksine, alan zorlanır. Vakum salınımları ya zorlanır ya da frekansın bosluk rezonansına karsılık gelip gelmedigine baglı olarak yükselir.

Casimir etkisinin tartısmasında önemli bir fiziksel nicelik de “alan radyasyon basıncı”dır. Her alan-vakum alanı bile-enerji tasır. Tüm elektromanyetik alanlar uzayda yayılırken, akan bir nehrin etrafındaki ve önündeki seylere basınç uyguladıgı gibi, yüzeylere basınç uygular. Bu radyasyon basıncı ve elektromanyetik dalganın frekansı enerjinin artması ile artar. Oyuk içindeki radyasyon basıncı, bir oyuk rezonans frekansında, dıs kısımdakinden daha güçlüdür ve bundan dolayı aynalar bir birinden uzaga itilirler. Rezonans dısında, tersine, oyuk içerisindeki radyasyon basıncı dısarıdakinden daha küçüktür ve bundan dolayı aynalar birbirine dogru çekilirler. Dengede, çekme bilesenleri itme bilesenlerinden azıcık daha güçlü etkiye sahiptir. Kusursuz iki paralel düzlem ayna için, Casimir kuvveti çekicidir ve bu yüzden aynalar bir birlerini çekerler. Kuvvet, F; kesit alanı A ile dogu, aynalar arasındaki uzaklıgın dördüncü kuvveti (üssü) d4 ile ters orantılıdır. Bu geometrik niceliklerden ayrı olarak kuvvet, ısık hızı ve Planck sabiti gibi temel degerlere de baglıdır.

Casimir kuvveti birkaç metre uzaklıktaki aynalar için son derece küçük olarak gözlenirken, uzaklık mikronluk düzeyde iken ölçülebilir basmaktadır. Örnegin, alanı 1 cm2 ve aradaki uzaklık 1 mm olan iki ayna yaklasık 10-7 N’luk bir Casimir kuvvetine sahiptir, ki bu kuvvet çapı yarım milimetre olan bir su damlasının agırlıgı kadardır. Bu kuvvet her ne kadar küçük gözükse de, bir mikrometrenin altındaki uzaklıklarda, iki nötr obje arasında en güçlü olur. Gerçekten de, 10 nm (nanometre) aralıklı, tipik bir atom boyutunun yaklasık 100 katı, Casimir etkisi 1 atmosfer basınsının esdegeri basınç üretir. Her ne kadar günlük yasamımızda böyle küçük uzaklıklar ile ilgilenmesek de, onlar “nano yapılı ölçekler” ve “mikro-elektromekanik sistemlerde” önemlidir.

Bunlar, mikro boyutlu mekanik elemanlar ve hareketli parçalarda, bir silikon örnegini küçük parçalara bölen akıllılıktadır. Elektronik bilesenler bilginin ilerlemesi için cihaz üzerine baglanır, ki o, mekanik parçaların hareketini algılar ve sürdürmesini saglar. Mikro-elektromekanik sistemlerin bilim ve teknolojide mümkün bir çok uygulama alanı vardır. Örnegin, bugün bunlar otomobillerde “air-bag basınç sensörleri” olarak kullanılmaktadır.

Fotondan baska parçacıklar da küçük bir etki ortaya çıkarır, fakat sadece foton kuvveti ölçülebilirdir. Fermiyonlar itici bir etki olustururken, fotonlar gibi tüm bosonlar, çekici Casimir kuvvetini olustururlar. Eger elektromanyetizmada süpersimetri olsaydı, o zaman fermiyonik fotonlar da var olacaktı. Bu durumda fotonların itme çekme etkisi bir birini yok edecek ve Casimir etkisi olmayacaktı. Gerçekte Casimir etkisinin varlıgı gösterir ki; dogada süpersimetrinin olması bir simetri kırılmasını gerektirir.

Teoriye göre; vakumda “toplam sıfır nokta enerjisi, tüm olası foton modları üzerinden toplam alındıgında sonsuz olur. Casimir etkisi; sonsuzlukların götürülmesinde, bir enerji farkından meydana gelir. Vakum enerjisi, gravitasyonel (kütle çekim) etkilesmeden dolayı, “kuantum kütle çekim teorisinde” bir bilmecedir. Kütle çekim teorisi uzay-zamanın egriligine sebep olan büyük bir “kozmolojik sabit” ortaya çıkarır. Bu uyusmazlıga çözüm, kuantum kütle çekim teorisinden beklenmektedir.

Bu küçücük top, evrenin sonsuza kadar genişleyeceği yolunda kanıt sağlamaktadır. Boşlukta meydana gelen enerji dalgalanmalarına karşılık olarak, bu top milimetrenin onda birinden biraz fazla bir miktarda düz plakaya doğru ilerlemekte. Casimir Etkisi olarak bilinen bu çekim gücü, adını 50 yıl önce mayonez benzeri sıvıların neden o kadar yavaş aktığını anlamaya çalışan kaşifinin adından almaktadır. Günümüzde, evrendeki enerji yoğunluğunun büyük bir kısmının kara enerji adı verilen ve bilinmeyen bir yapıda olduğu yolunda kanıtlar birikmektedir. Kara enerjinin yapısı ve başlangıç noktası neredeyse tamamen bilinmez durumdadır; ancak Casimir Etkisi'ne benzer olarak boşluk dalgalanmalarıyla bağlantılı olduğu, fakat her nasılsa uzayın kendisi tarafından yaratıldığı varsayılmaktadır. Bu sonsuz ve gizemli kara enerji, tüm maddeleri kütleçekimsel olarak itiyor gibi görünmekte ve bu nedenle de büyük bir ihtimalle evrenin sonsuza kadar genişlemesine sebep olacaktır. Boşluk dalgalanmalarını kavramak sadece evrenimizi daha iyi anlamak için değil, aynı zamanda mikro-mekanik makine parçalarının birbirine yapışmasını önlemek amacıyla da araştırmaların ön sıralarında bulunuyor.