Casimir Etkisi Nedir?

Casimir etkisi, yüksüz bir boşlukta salınan, birbirine birkaç nanometre kadar yakın iki yüksüz plaka ile yaratılır. Bu ortamda, plakaların birbirine yaklaşmasına sebep olabilecek hiçbir kuvvet yokken, kuantum vakum dalgalanmaları sonucunda iki plaka sanal parçacıklar tarafından birbirine itilir.

Casimir etkisi deneyi yapmak için iki yüksüz metal plaka, boşlukta veya saf su içinde birbirine yakın olarak konumlandırılır. Deney devam ettikçe kuantum vakum dalgalanmalarının başladığı görülür ve iki plaka arasında çekim oluşur. Deneyin sonucunda iki metal plaka birbirine yüzeysel olarak temas eder.

Hendrik Casimir, Philips Natuurkundig Laboratorium’da çalıştığı dönemde Dirk Polder ile birlikte yüksüz iki iletken plakanın yüksüz bir boşlukta birbirini çekeceği tahmininde bulundu. Bu tahmin, kuantum vakum dalgalanmalarının ve sanal parçacıkların ispatı niteliğinde bir gelişmeydi.

Klasik fiziğe göre boşluk ve uzay boşluğu bir enerji yüküne sahip değildir. Ancak kuantum fiziğine göre zaman ve mekan kesitlerden oluşur ve bu kesitlilik hali enerji dalgalanmalarına yol açar. Casimir etkisinin ispat ettiği kuantum vakum dalgalanmaları buna bir örnektir. Kuantum vakum dalgalanmaları ve sanal fotonlar düzensiz aralıklarla ortaya çıkıp yok olur.

Işık kütlesiz bir elektromanyetik radyasyondur. Kütlesiz olmasına rağmen ışık ışınları enerji taşır ve kütle çekiminden etkilenir. Casimir etkisi, kütlesiz olan ışığında kuantum vakum dalgalanmaları ile taşınabilmesini açıklar. 

Teorik fizikte negatif kütle, kütlenin zıttı olan varsayımsal bir kavramdır. Egzotik maddeye en yakın örnek Casimir etkisi ile ortaya çıkan varsayımsal negatif yoğunluk alanıdır. Kuantum fiziğine göre kütle ve enerji birbirine dönüşebildiği için Casimir etkisi sayesinde negatif elektrik üretimi varsayımsal olarak mümkündür.

Casimir etkisi denetinde kuantum vakum dalgalanmaları sonucunda sanal fotonlar metal plakaları iterek birbirleri arasında bir çekim oluşmasını sağlar. Buna göre uzay boşluğu, sonsuz bir boşluktan oluşmaz; uzay boşluğunda sanal fotonlar belirir ve kaybolur.

Casimir etkisi hem kuantum fiziğinin en önemli dayanak noktalarından biri hem de kuantum vakum dalgalanmalarının ispatıdır. Casimir etkisi, uzay ve zamanın kesitlerden oluştuğunu ve bu parçalı yapının dalgalanmalara ve sanal parçacıkların belirip yok olmasına sebep olduğunu teyit eder.

Kuantum fiziğine göre uzay ve zaman sonsuza kadar bölünebilen yapılar değildir; kesitlerden oluşur. Bu kesitlerin en önemli ispatı, kuantum vakum dalgalanmalarını ispat eden Casimir etkisidir.

Casimir etkisine göre iletken metaller ve dielektriklerin varlığının ikinci nicemlenmiş elektromanyetik alan enerjisinin, vakum beklenen değerini değiştirir.

Egzotik madde (karanlık madde), kuantum fiziğinde evrenin yapıtaşı olarak konumlandırılan, varsayımsal bir maddedir. Karanlık madde teorisine en yakın delil Casimir etkisi sonucu ortaya çıkan negatif yoğunluk alanıdır.

Kuantum Dalgalanmaları, fotonlar tarafından taşınan elektromanyetik kuvveti temsil eden elektrik ve manyetik alanlar, zayıf kuvveti taşıyan W ve Z alanları ve güçlü kuvveti taşıyan gluon alanları gibi temel parçacıkları temsil eden alanların değerlerindeki küçük rastgele dalgalanmalardır.

Kuantum dalgalanmalarının en önemli gözlemlenebilir sonucu Casimir etkisidir. Klasik Casimir etkisi, birkaç nanometre arayla yerleştirilmiş iki yüksüz iletken plaka arasındaki kuvvettir.

Kuantum biliminde uzay, ışıma düzeltmeleri veya kendiliğinden yayılma gibi gözlemlenebilir sonuçları olan vakum alanı kuantum dalgalanmalarıyla doludur. Bu kuantum dalgalanmalarının ayrıca makrofizikte, özellikle Casimir kuvvetlerinde mekanik etkileri vardır.

Statik Casimir etkisi, yerçekimi fiziği ve vakum enerjisi ile ilişkiliyken, dinamik Casimir etkisi, klasik görelilik teorisi ile ilişkili hareketin görelilik ilkesinin sınırını gösterir. Casimir fiziği, kısa mesafelerde yerçekimi testlerinde de önemli bir rol oynar.

Casimir etkisini kullanarak elektrik üretimi yapmak mümkün değildir. Bunun sebepleri şunlardır:

• Casimir etkisinin tetikleyicisi olan kuantum vakum dalgalanmaları kontrol edilebilir değildir.
• Casimir etkisi sonucunda ortaya çıkan negatif yoğunluk alanı sebebiyle negatif elektrik üretmek kuramsal olarak mümkün olsa da bu negatif enerji, bilinen anlamdaki enerjinin nötrleyicisi olmaktan ileri gidemez.
• Kuantum dalgalanmalarının ve sanal fotonların ortaya çıkış ve yok oluş prensibi henüz keşfedilmemiştir.

Casimir etkisi, uzayda herhangi bir zamanda ortaya çıkabilen bir durumdur. Casimir etkisi deneyle test edilip gözlemlenebilir:

• Saf su veya boşlukta iki iletken yüksüz plaka, birkaç nanometre mesafede serbest olarak konumlandırılır.
• Plakalara herhangi bir dış enerjinin müdahale etmediği kesinleştirilir.
• Kuantum vakum dalgalanmaları sonucunda sanal plakaların dış yüzeyinde kuvvet oluşturarak plakaları birbirine iter.

Hendrik Casimir 1948 yılında Casimir etkisini tahmin ettiyse de metal plakaları tam olarak yüksüz kılamadığı ve dış kuvvetleri nötralize edemediği için başarılı bir deney yapamamıştır. Casimir etkisi ilk defa 1997 yılında, bu şartları sağlayabilen Steven Lamoreaux tarafından gözlemlenmiştir.

Casimir etkisinin hesaplanması, sonsuz toplamlara ve farklı sonuçlara yol açar. Bu nedenle “Regularization (Düzenleyici) kullanmak gerekir. Zeta işlevi, ısı çekirdeği ve Gaussian süreci gibi aynı yanıtı veren birkaç düzenleyici kullanılabilir.

Aralarında neden-sonuç ilişkisi bulunur.

Hawking Yansıması (Hawking Radiation), kara delik olay ufkunun yakınındaki kuantum etkilerden dolayı kara delikler tarafından salınacağı tahmin edilen kara cisim radyasyonudur. Adını, 1974'te fizikçi Stephen Hawking'den almıştır.

Daha basit anlatımla Hawking yansıması; kara delikler tarafından kendiliğinden yayıldığı tahmin edilen termal radyasyondur. Kuantum vakum dalgalanmalarının biri sonsuzlukta akıp giderken diğeri sürekli kara delik ufkunun içinde hapsolmuş parçacık çiftlerine dönüşmesinden kaynaklanır.

Casimir etkisi, kuantum vakum dalgalanması sebebiyle iki yüksüz plaka arasında oluşan çekim etkisidir.

Bir kara delik tarafından salınan parçacık oluşumunun etkisinin, küresel bir kabuk için Casimir etkisinin bir sonucu olduğu gösterilmiştir. Radyasyon sıcaklığı, Hawking tarafından elde edilenle aynıdır.

Casimir etkisi, boşlukta yüksüz plakaların kuantum vakum dalgaları sebebiyle birbirine itilmesi prensibini açıklar. Dolayısıyla Casimir etkisi itici güç (Repulsive Forces) oluşturabilir.