การทดลองยืนยันว่าอุณหภูมิมีผลต่อปรากฏการณ์ Casimir

นับเป็นครั้งแรกที่นักวิจัยสามารถทดลองยืนยันการทำนายซึ่งทำนายโดยนักฟิสิกส์ชาวรัสเซียผู้ยิ่งใหญ่ Evgeny Lifshitz เมื่อปี ค.ศ. 1955 ว่าอุณหภูมิมีผลต่อแรงแคสสิเมียร์ (Casimir force) อันเป็นแรงดึงดูดระหว่างวัตถุสองชิ้นที่จะปรากฏให้เห็นชัดขึ้น เมื่อวัตถุทั้งสองวางอยู่ใกล้กันในระดับ 5 ส่วนล้านของหนึ่งเมตร หรือน้อยกว่านั้น งานวิจัยชิ้นนี้ได้ทำให้เกิดความเข้าใจในเรื่องปรากฏการณ์แคสสิเมียร์ (Casimir effect) มากขึ้นและจะมีประโยชน์ในบางการทดลองในอนาคต ที่ต้องพิจารณาแรงแคสสิเมียร์มาร่วมด้วย

กลุ่มนักวิจัยซึ่งนำโดยนักฟิสิกส์รางวัลโนเบล Eric Cornell แห่งสถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติสหรัฐอเมริกา หรือ NIST และยังประจำที่มหาวิทยาลัยแห่งโคโลราโด วิทยาเขตโบลเดอร์ ได้ตรวจสอบแรงที่เรียกว่าแรงแคสสิเมียร์-โพลเดอร์ (Casimir-Polder force) อันเป็นแรงดึงดูดระหว่างอะตอมเป็นกลางทางไฟฟ้าและพื้นผิวกระจกที่อยู่ใกล้ ๆ นักวิจัยส่งอะตอมรูบิเดียมเย็นจัด (ultracold rubidium atom) ไปที่บริเวณใกล้ ๆ กับพื้นผิวของแก้วเพียงไม่กี่ไมครอน จากนั้นจึงเพิ่มอุณหภูมิของแก้วจนถึง 600 เคลวิน (ประมาณสองเท่าของอุณหภูมิห้องในสเกลเคลวิน) แต่อุณหภูมิรอบ ๆ ยังอยู่ที่อุณหภูมิห้อง ผลปรากฏว่าแรงดึงดูดระหว่างแผ่นแก้วกับอะตอมรูบิเดียมเพิ่มขึ้นเป็นสามเท่าของแรงดึงดูดเมื่อตอนที่อุณหภูมิอยู่ที่อุณหภูมิห้อง

มาเข้าใจปรากฏการณ์แคสสิเมียร์กัน

ลองจินตนาการว่าเราทำการทดลองในสุญญากาศ อะไรจะเกิดขึ้นถ้าเราเอาแผ่นกระจกซึ่งไม่มีประจุไฟฟ้าสองแผ่นมาวางขนานใกล้ ๆ กันจนพื้นผิวของทั้งสองแผ่นเกือบจะติดกัน ถ้าตัดแรงโน้มถ่วงซึ่งมีค่าน้อยมากออกไปก็ไม่น่าจะมีแรงอะไรกระทำระหว่างแผ่นสองแผ่นนี้เลย เพราะฉะนั้นคำตอบก็ควรจะเป็นว่าไม่มีอะไรเกิดขึ้น อันที่จริงผลที่ออกมากลับเป็นว่าสองแผ่นนี้มีแรงดึงดูดระหว่างกัน อันเนื่องมาจากการมีอยู่ของ Quantum vacuum หรือสุญญากาศควอนตัม ปรากฏการณ์ที่น่าฉงนนี้ทำนายครั้งแรกในปี ค.ศ. 1948 โดยนักฟิสิกส์ทฤษฎีชาวดัตช์ Hendrik Casimir หลังจากนั้นปรากฏการณ์เช่นนี้จึงรู้จักกันในนาม ปรากฏการณ์แคสสิเมียร์ ส่วนแรงอันเกิดขึ้นระหว่างแผ่นโลหะสองแผ่นนี้เรียกว่า แรงแคสสิเมียร์

ในอดีตช่วงที่ฟิสิกส์ยังมีแต่กลศาสตร์ดั้งเดิม ความคิดเกี่ยวกับสูญญากาศเป็นอะไรที่ง่าย ๆ สูญญากาศจะยังเป็นสูญญากาศเมื่อเรายังทำให้ในกล่องที่เราพิจารณาปราศจากอนุภาคใด ๆ ทั้งสิ้นและลดอุณหภูมิลงเป็นศูนย์องศาสัมบูรณ์ ทว่า การก้าวเข้ามาของกลศาสตร์ควอนตัม ทำให้เราต้องมองภาพของสูญญากาศเปลี่ยนไป ตามทฤษฎีสนามควอนตัม สนามทุกชนิด โดยเฉพาะอย่างยิ่งสนามแม่เหล็กไฟฟ้า จะมีการกระเพื่อมขึ้นลงรอบ ๆ ค่าคงที่ค่าหนึ่ง แม้แต่สภาวะสูญญากาศก็ไม่ได้ว่างเปล่า กลับมีสนามที่กระเพื่อมอยู่ ซึ่งเรียกว่า “vacuum fluctuations”

ฟัง ๆ ดูอาจรู้สึกว่า การกระเพื่อมของสูญญากาศ เป็นเรื่องที่ต้องจินตนาการมากมายจนจับต้องไม่ได้ อย่างไรก็ตาม นักฟิสิกส์พบว่ามันส่งผลให้ปรากฏโดยตรงในการทดลองในระดับเล็กจิ๋ว ( microscopic scale) ตัวอย่างเช่น อะตอมในสถานะกระตุ้นจะไม่สามารถคงอยู่ในสถานะนั้นไปตลอด แต่จะกลับสู่สถานะพื้นโดยการปลดปล่อยอนุภาคแสง โฟตอน ออกมาแบบเป็นไปเอง ปรากฏการณ์นี้เป็นผลมาจาก vacuum fluctuations เปรียบได้กับการเอาดินสอวางตั้งอยู่บนนิ้วของคุณ มันจะยังตั้งอยู่ได้ถ้าหากมือคุณนิ่งจริง ๆ และไม่มีอะไรมารบกวนความสมดุลที่เป็นอยู่ แต่มันจะล้ม หากมีเพียงอะไรมารบกวนเพียงนิดเดียว ฉันใดก็ฉันนั้น สูญญากาศไม่ได้ว่างเปล่าอย่างสมบูรณ์แบบ การกระเพื่อมของสูญญากาศทำให้อะตอมในสถานะกระตุ้นกลับตกลงสู่สถานะพื้นในที่สุด

แรงแคสสิเมียร์เป็นตัวอย่างของผลจากการกระเพื่อมของสูญญากาศที่โด่งดังที่สุด ลองพิจารณาช่องว่างระหว่างแผ่นกระจกระนาบสองแผ่น สนามแม่เหล็กไฟฟ้ามีลักษณะสเปกตรัมเฉพาะตัว คือประกอบด้วยความถี่ต่าง ๆ มากมาย ในสูญญากาศทุก ๆ ความถี่มีความสำคัญเท่ากัน แต่ภายในช่องว่างระหว่างสองแผ่นซึ่งเป็นริเวณที่สนามสะท้อนกลับไปกลับมาระหว่างแผ่นระนาบ เรื่องราวกลับเป็นว่าสนามที่ความยาวคลื่นหนึ่งจะมีความเข้มมากขึ้น ถ้าความยาวของ [จำนวนเต็มคูณครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่น] (เช่น 3/2 หรือ 5/2 เท่าของความยาวคลื่น) มีขนาดเท่ากับช่องว่างพอดี ที่ความยาวคลื่นนี้ ความดันของสนามซึ่งอยู่ในช่องว่างจะแรงกว่าความดันภายนอก ทำให้เกิดแรงผลักแผ่นระนาบทั้งสองแยกออกจากกัน ส่วนสนามที่ความยาวคลื่นอื่น ๆ จะมีความเข้มลดลง ความดันของสนามในช่องว่างก็จะน้อยกว่าภายนอก ปรากฏเป็นแรงดึงดูดระหว่างแผ่นระนาบ

ผลปรากฏว่า ส่วนที่ให้แรงดึงดูดให้ผลแรงกว่าส่วนที่ให้แรงผลักเล็กน้อย สำหรับแผ่นระนาบที่วางขนานกัน แรงแคสสิเมียร์จึงเป็นแบบดึงดูดและระนาบสองแผ่นถูกดึงเข้าหากัน โดยที่ แรงแคสสิเมียร์ แปรผันตรงกับพื้นที่ ของแผ่นระนาบ และเพิ่มขึ้น 16 เท่าทุก ๆ ครั้งที่ระยะระหว่างแผ่นระนาบ ลดลงครึ่งหนึ่ง นั่นคือ เพราะฉะนั้น ในขณะที่แผ่นระนาบขนาดหนึ่งตารางเซนติเมตรสองแผ่นมีแรงดึงดูดระหว่างกันเท่ากับน้ำหนักของหยดน้ำที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางครึ่งมิลลิเมตร เมื่อห่างกันหนึ่งไมครอน แต่แรงกลับลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อแผ่นระนาบสองแผ่นแยกห่างออกจากกันไป

การกระเพื่อมจากความร้อน

นักวิทยาศาสตร์มักจะใช้คำว่า “แรง Casimir” ในการอ้างถึงแรงที่เกิดขึ้นระหว่างวัตถุขนาดใหญ่พอ ๆ กันสองชิ้น เช่นระหว่างแผ่นระนาบที่เป็นไดอิเล็กตริก (อย่างเช่นแก้ว) สองแผ่น หรือระหว่างทรงกลมโลหะสองชิ้น และใช้คำว่า “แรง Casmir-Polder” บรรยายแรงที่เกิดขึ้นระหว่างวัตถุใหญ่ (เมื่อเปรียบเทียบกับอะตอม) กับอะตอมในสถานะก๊าซอะตอมหนึ่ง อย่างไรก็ตาม ฟิสิกส์ที่เป็นต้นเหตุของแรงทั้งสองชื่อนี้ก็ไม่แตกต่างกัน ดังนั้นหลายครั้ง คำว่า “แรง Casimir” จึงหมายรวมถึงแรงแบบเดียวกันซึ่งใช้อีกชื่อ คือ “Casimir-Polder” ได้

อย่างที่กล่าวไปแล้ว ตามกลศาสตร์ควอนตัม สูญญากาศบรรจุการกระเพื่อมของสูญญากาศ ซึ่งส่วนหนึ่งก็อยู่ในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ผุดขึ้นมาและหายไปอย่างรวดเร็ว คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านี้ก็มีทั้งสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า สนามไฟฟ้าที่ผุดขึ้นสามารถทำให้อิเลกตรอนในอะตอมจัดเรียงตัวกลายเป็นอะตอมแบบ ‘สองขั้ว’ หรืออาจเรียกว่าอะตอม ‘โพลาไรซ์’ คือมีประจุบวกอยู่ฝั่งหนึ่งและประจุลบอยู่อีกฝั่งหนึ่งตรงข้ามกัน (แบบเดียวกับแท่งแม่เหล็กที่มีขั้วเหนือและขั้วใต้) แต่ทั้งนี้และทั้งนั้นอะตอมจะอยู่ในสภาวะนี้เพียงชั่วขณะตามสนามไฟฟ้าที่ผุดขึ้น ขณะที่อะตอมอยู่ในสภาวะ ‘โพลาไรซ์’ มันจะสามารถรับรู้ถึงสนามไฟฟ้าของสูญญากาศ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของสูญญากาศจะเปลี่ยนแปลงไปเมื่อมีแผ่นกระจกอยู่ด้วย ทำให้เกิดบริเวณของสนามไฟฟ้าสูงสุดซึ่งดึงดูดอะตอม ‘โพลาไรซ์’

นอกจากนั้น ความร้อนภายในแก้วยังทำให้มีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ปรากฏขึ้นและหายไปอย่างรวดเร็วเช่นเดียวกัน บางส่วนก็รั่วออกไปบนพื้นผิวให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ลดความเข้มลงอย่างรวดเร็วตามระยะห่างจากพื้นผิว สนามไฟฟ้าจะมีสูงสุดบนพื้นผิว ช่วยเพิ่มแรงดึงดูดอะตอมของกระจกด้วย

โดยปกติแล้ว คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากความร้อนในสิ่งแวดล้อมจะลดทอนแรงดึงดูดที่เกิดขึ้นที่พื้นผิวแก้วอันเนื่องมาจากความร้อนในแก้ว แต่ทว่าการเพิ่มอุณหภูมิของแก้ว ทำให้คลื่นแม่เหล็กฟ้ามีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในลักษณะที่เพิ่มแรงอันเนื่องจากความร้อนของแก้ว และทำให้แรงดึงดูดระหว่างกระจกกับอะตอมแรงขึ้น

เพื่อตรวจสอบแรงแคสสิเมียร์-โพลเดอร์ นักวิจัยนำอะตอมรูบิเดียมเย็นจัด (ultracold rubidium atom) ซึ่งอยู่ในสถานะควบแน่น Bose-Einstein ประมาณ 250,000 อะตอมซึ่งถูกกักอยู่ด้วยกันด้วยสนามแม่เหล็ก ไปวางห่างแผ่นแก้วเพียงไม่กี่ไมโครเมตร ขณะที่อะตอมเย็นจัดเหล่านี้ถูกเลื่อนไปใกล้พื้นผิวแก้วมากขึ้น การสั่นเล็กน้อยของอะตอมในสถานะควบแน่นเหล่านี้ได้ถูกสังเกตตลอดเวลา และจากการเปลี่ยนแปลงของความถี่ของการสั่นที่สังเกตได้ทำให้นักวิจัยสามารถคำนวณแรงได้ ในการทดลองล่าสุด การวัดถูกกระทำขณะใช้ลำเลเซอร์ทำให้แผ่นแก้วร้อนขึ้นจากอุณหภูมิห้อง (ประมาณ 37 องศาเซลเซียส) ไปสู่อุณหภูมิที่ร้อนมาก (ประมาณ 330 องศาเซลเซียส) ในขณะที่อุณหภูมิสิ่งแวดล้อมโดยรอบยังอยู่ที่อุณหภูมิห้อง ผลของการวัดแสดงว่าแรงดึงดูดแรงขึ้นเป็นสามเท่าเมื่ออุณหภูมิของแก้วเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า จากเมื่อตอนที่แก้วมีอุณหภูมิเท่ากับอุณหภูมิห้อง

ถึงแม้ว่าปรากฏการณ์แบบนี้จะไม่มีผลต่อระดับสเกลในชีวิตประจำวันของเรา แต่มันทำให้ส่วนประกอบในระบบ nano- และ microelectromechaniccal systems (NEMS และ MEMS) ติดกันได้ด้วยแรงดึงดูดที่ปรากฏชัดเมื่อระยะห่างอยู่ในระดับไมโครเมตรหรือน้อยกว่านั้น มันสร้างความยุ่งยากให้กับการทดลองระดับเล็กที่ทำการตรวจวัดแรงโน้มถ่วงดึงดูดระหว่างวัตถุในสเกลเล็กที่หลายทฤษฎีทำนายว่าไม่ได้เป็นไปตามทฤษฎีโน้มถ่วงแบบของนิวตัน ตัวอย่างหนึ่งของการทำนายเหล่านั้น ก็คือการทำนายโดยทฤษฎีที่พิจารณามิติพิเศษเข้ามาร่วมด้วยนั่นเอง

เอกสารอ้างอิงและข้อมูลเพิ่มเติม

ข่าวจาก Physics News Update http://aip.org/pnu/2007/split/811-1.html


ข่าวจาก NIST http://www.nist.gov/public_affairs/newsfromnist_casimir-polder.htm


บทความวิชาการ “การวัดการแปรเปลี่ยนไปตามอุณหภูมิของแรงแคสสิเมียร์-โพลเดอร์”
J.M. Obrecht, R.J. Wild, M. Antezza, L.P. Pitaevskii, S. Stringari and E.A. Cornell. Measurement of the temperature dependence of the Casimir-Polder force. Physical Review Letters. Vol. 98, No. 6, Feb. 9, 2007.

หรือ เวอร์ชัน preprint:
arXiv:physics/0608074v2 http://arxiv.org/abs/physics/0608074


บทความสารคดีใน Physicsweb.org
“The Casimir effect: a force from nothing” โดย Astrid Lambrecht เมื่อ กันยายน พ.ศ. 2545 http://physicsweb.org/articles/world/15/9/6