בין דחייה למשיכה

 

 

כוח קזימיר המסתורי פועל בין היתר במקומות קרים וריקים, שם הוא מבצע בשקט את עבודתו. כוח קזימיר אמנם אינו נראה, אך הוא אחד מהכוחות הפיסיקליים החשובים ביקום. שלא כמו כוחות אחרים, כוח קזימיר פועל גם בריק, והשפעתו ניכרת במערכות ננו- מכניות, וננו-אלקטרומכניות כאחת. מחקר חדש של פרופ' יוסף אמרי, מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון ויצמן למדע, הציע באחרונה הסבר לאחד מהיבטיוהחשובים של הכוח המיסתורי הזה. הסבר זה עשוי לסייע בעיצובן של ננו-מערכות יעילות יותר.

 

הפיסיקה הקלאסית מתייחסת לריק כאל מערכת דוממת שלא מתחוללת בה תנועה. לעומת זאת, תורת הקוונטים רואה את הריק כמערכת דינמית ומורכבת למדי. בשנת 1948 חקר הפיסיקאי ההולנדי הנדריק קזימיר את תכונותיו הפיסיקליות של הריק, על-פי תפיסת הפיסיקה 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 בפיסיקה מזוסקופית, המתמקדת במתרחש במערכות פיסיקליות שגודלן "בינוני", בין המערכות הגדולות שנשלטות על-ידי תורת היחסות, לבין המערכות המיקרוסקופיות הנשלטות על-ידי תורת הקוונטים. במובן מסוים, פיסיקה 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 הקרינההמגיעה 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 מהלחץהפנימי, 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' אמרימנבא, 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.

 

מדענים שבונים מרכיבים ננו-מכניים נתקלים באתגרים ייחודיים של עיצוב פיסיקליבגלל כוח קזימיר, המשפיע בעוצמה הרבה ביותר על מרכיבים המצויים בקירבה רבה זה לזה. תכונתו זו של הכוח גורמת לכך שחלקים מכניים קטנטנים הפועלים בריק וירטואלי, בסמיכות רבה זה לזה, יכולים - בהשפעתו של כוח קזימיר - להיצמד למשטחים, או זה לזה, דבר שגורם תקלות במערכות האלה ואף לשיתוקן. המדענים שואפים להבין את התופעות הללו ולהתגבר עליהן כדי למצוא דרכים ליצור מערכות מכניות ואפילו ביו-מכניות קטנות יותר, שמרכיביהן לא ייצמדו אלה לאלה, ולא יגרמו בכך לבלימת המערכת. מחקרו החדש של פרופ' אמרי, שממצאיו פורסמו בכתב העת המדעי Physical Review Letters, עשוי לסייע בפתרון הבעיה, ובפיתוח פתרונות עיצוב טובים יותר להתקנים ננו- מכניים.