Hiệu ứng Casimir: hai tấm kim loại song song hút nhau trong chân không

Năm 1948, nhà vật lý Hà Lan Hendrik Casimir đang nghiên cứu về keo dính cao su tại Phòng thí nghiệm Philips ở Eindhoven thì ông nhận được câu hỏi về năng lượng của chân không. Ông nhận ra rằng hai tấm kim loại trung hòa, đặt song song trong chân không, sẽ hút nhau vì chân không lượng tử không thực sự trống rỗng. ^[1]

Vì sao chân không lại tạo ra lực?

Theo cơ học lượng tử, chân không chứa đầy các thăng giáng năng lượng — những hạt ảo xuất hiện rồi biến mất liên tục. Giữa hai tấm kim loại, chỉ những bước sóng phù hợp với khoảng cách giữa chúng mới tồn tại được, nên ở đó có ít mode trường hơn so với bên ngoài. ^[1][2]

Sự chênh lệch về số mode tạo ra sự chênh lệch áp suất bức xạ: áp suất bên ngoài lớn hơn bên trong, đẩy hai tấm lại gần nhau. Lực này tỉ lệ nghịch với lũy thừa bậc bốn của khoảng cách, nên chỉ trở nên đáng kể khi hai tấm cách nhau cỡ nanomet. ^[2][3]

Từ dự đoán đến đo đạc

1. 1948

   Casimir công bố dự đoán về lực giữa hai tấm dẫn điện song song trong chân không.

2. 1958

   Sparnaay thực hiện các thí nghiệm đầu tiên, nhưng độ chính xác còn hạn chế.

3. 1997

   Lamoreaux đo được lực Casimir với sai số khoảng 5% bằng cân xoắn.

4. 2001

   Mohideen và cộng sự kiểm chứng lực này với sai số dưới 1%.

Ngày nay hiệu ứng Casimir không chỉ là chuyện lý thuyết. Nó ảnh hưởng đến hoạt động của các vi cơ điện tử (MEMS), nơi các bộ phận cách nhau vài chục nanomet có thể dính vào nhau do lực này — một hiện tượng gọi là "stiction". ^[4]

Điều còn đang được nghiên cứu

Trong môi trường thực tế, lực Casimir phụ thuộc vào vật liệu, nhiệt độ và hình dạng bề mặt, nên các nhà khoa học vẫn đang tinh chỉnh mô hình lý thuyết. Hiệu ứng này cũng được xem là bằng chứng gián tiếp cho năng lượng điểm không của trường điện từ. ^[2][5]