Thí nghiệm lực nhiệt Casimir tại Yale thực hiện trong một chuông hút chân không. Bên phải là nhà vật lí Yale, Andy Kim. (Ảnh: Alex Sushkov)
Lực nhiệt Casimir – nhờ đó hai vật chịu một lực hút gây ra bởi các thăng giáng nhiệt của trường điện từ - lần đầu tiên đã được đo bởi các nhà vật lí ở Mĩ. Lực hút nhỏ xíu ấy được phát hiện giữa hai bề mặt bằng vàng cách nhau ít nhất là 3 µm. Khoảng cách này là quá xa để có lực Casimir quen thuộc hơn phát sinh từ các thăng giáng điểm không lượng tử.
Lực Casimir có tên gọi từ nhà vật lí người Hà Lan Hendrik Casimir, người vào năm 1948 đã trình bày rằng hai tấm kim loại dẫn hoàn hảo, không tích điện, đặt trong chân không, sẽ hút lẫn nhau. Lực này phát sinh từ thực tế là năng lượng của một trường điện từ trong chân không không bằng không mà liên tục thăng giáng xung quanh một giá trị trung bình nhất định, gọi là “năng lượng điểm không”.
Casimir đã chứng tỏ rằng áp suất bức xạ của trường bên ngoài hai tấm kim loại hơi lớn hơn áp suất bức xạ giữa hai tấm một chút. Kết quả là hai tấm sẽ chịu một lực hút. Vì quá nhỏ, cho nên lực này tỏ ra cực kì khó đo và mãi cho đến năm 1997 thì Steve Lamoreaux ở trường Đại học Washington ở Mĩ mới cung cấp sự xác nhận thực nghiệm xác thực đầu tiên của lí thuyết Casimir.
Trong khi các thăng giáng điểm không xảy ra ở nhiệt độ gần sát không độ tuyệt đối, thì một trường điện từ còn chịu một số thăng giáng nhiệt tăng dần ở những nhiệt độ cao hơn. Vào năm 1955, nhà vật lí người Nga Evgeny Lifshitz đã dự đoán rằng những thăng giáng này sẽ có một tác dụng tương tự đối với áp suất bức xạ, dẫn tới một lực nhiệt Casimir.
Nay tại trường Đại học Yale, Lamoreaux hợp thành nhóm với Alexander Sushkov và các đồng nghiệp để lần đầu tiên đo lấy lực nhiệt Casimir. Thay vì sử dụng hai tấm kim loại song song, đội nghiên cứu đi tìm lực giữa một tấm tráng vàng và một quả cầu. Đây là phương pháp được ưa chuộng để đo lực Casimir vì việc canh thẳng hàng một quả cầu và một tấm kim loại thì dễ hơn nhiều so với việc canh chỉnh chính xác hai tấm kim loại cho song song nhau.
Lamoreaux và các đồng nghiệp gắn tấm phẳng trên một chùm tia nằm ngang treo lơ lửng từ tâm của nó bằng một sợi dây để tạo ra một con lắc xoắn. Quả cầu được mang từ từ lại gần tấm và, là hệ quả của lực Casimir, con lắc bị xoắn về phía quả cầu. Sau đó, đội nghiên cứu đo lực tĩnh điện phải tác dụng để nửa kia của con lắc cân bằng với chùm tia khi quả cầu từ từ dịch chuyển khỏi tấm từ 7 đến 0,7 µm, rồi sau đó tiến trở lại.
Sau khi hiệu chỉnh các lực tĩnh điện dư giữa quả cầu và tấm kim loại, do sự không hoàn hảo trong các bề mặt bằng vàng, Sushkov và các đồng nghiệp nhận thấy lực Casimir điểm không lấn át, đúng như trông đợi, ở những khoảng cách chưa tới khoảng 3 µm. Tuy nhiên, ở những khoảng cách lớn hơn, nơi lực điểm không được cho là giảm nhanh theo nghịch đảo lũy thừa ba của khoảng cách, đội nghiên cứu đo được một lực giảm chậm hơn theo nghịch đảo bình phương của khoảng cách.
Sau đó, đội nghiên cứu đã so sánh số liệu của họ với tiên đoán lí thuyết của Lifshitz, sử dụng hai mô hình cho sự tán sắc thấp tần của hằng số điện môi của các bề mặt vàng: mô hình Drude và mô hình plasma. “Trong khi cả hai mô hình tiên đoán một lực tỉ lệ nghịch bình phương, thì thí nghiệm dường như được mô tả tốt nhất bởi mô hình Drude”, Sushkov giải thích.
Thomas Philbin ở trường Đại học St Andrew ở Anh quốc mô tả thí nghiệm trên là “rất hấp dẫn và quan trọng”. Ông cho biết thêm rằng tầm quan trọng chính yếu của công trình trên là nó xác nhận tiên đoán của Lifshitz hồi năm 1955 về sự tồn tại của lực nhiệt Casimir. “Nó cũng kiểm tra kiến thức của chúng ta về các tính chất điện từ của kim loại ở những tần số thấp”, ông nói.
Đội Yale hiện đang có kế hoạch đo lực nhiệt Casimir giữa những chất liệu khác, trong đó có các chất bán dẫn.
Nguồn: Hamish Johnston (physicsworld.com)
