Casimir force acting on bodies in media: Why textbooks are wrong

0.04 MB·English

by  Dirk-Gunnar Welsch

Casimir force acting on bodies in media:
Why textbooks are wrong
Dirk-Gunnar Welsch and Christian Raabe
Theoretisch-PhysikalischesInstitut, Friedrich-Schiller-Universit¨atJena,
Max-Wien-Platz 1, 07743 Jena, Germany
5
0 Corresponding author: Dirk-Gunnar Welsch ([email protected])
0
2

n The problem of appropriately defining energy (cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1) (cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1) (cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)
(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1) (cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1) (cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)
a (cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1) (cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1) (cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)
J and/or momentum of the macroscopic electromag- (cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1) (cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1) (cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)
neticfieldinlinear,causalmediahasbeenasubjectof (cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1) (cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1) (cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)
8 (cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1) (cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1) (cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)
2 controversialdiscussions for a long time. In this con- (cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1) ε (cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1) ε (cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)
(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1) (cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1) (cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)
text, approximations like quasimonochromatic fields (cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1) (cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1) (cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)
(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1) µ (cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1) µ (cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)
1 or lossless media have typically been employed to de- (cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1) (cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1) (cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)
v rive local balance equations from the phenomenologi- (cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1) (cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1) (cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)
0 (cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1) (cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1) (cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)
cal Maxwell equations. Although the meaning of the (cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1) (cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1) (cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)
17 emerging expressions often has not been clear at all, (cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1) d1 (cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1) d3 (cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:0)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)
1 theyhavebeentakenforgrantedinthestudyofQED
0 effectsassociatedwithmedia,withoutworryingabout Figure 1: Casimir plate embedded in a nonempty
5 their limitations. A typical example, which has even planar cavity.
0
enteredtextbooks,hasbeentheincorrectextensionof
/
h the well-known Lifshitz formula for the Casimir force
shitzformulaobtainedintheformercaseshowsthat—
p betweentwoplanardielectricbodiesseparatedbyvac-
incontrasttothebeliefintheliterature—theCasimir
-
t uumtothecasewheretheinterspaceisnotemptybut stressdepends onthepositionwithintheinterspacein
n
filled with a medium.
a general. In the latter case, standard approximations
u Toanswerthequestionoftheeffectofamedium,we (such as the assumption of almost perfect reflection)
q first present general expressions for the Casimir force lead to a force (per unit area) of
:
v acting on linearly responding magnetodielectric bod-
¯hcπ2 µ 2 1 1 1
Xi imesa,ywahlsiochbearseurnrootunndeecdesbsayrialylinpelaacremdaignnevtaocduiuemlecbtruict F = 240 rε (cid:18)3 + 3εµ(cid:19)(cid:18)d43 − d41(cid:19),
r
a medium,basingourcalculationsonexactQEDinlin- which for d →∞ is the generalizationof Casimir’s
1(3)
ear,causalmedia[1]. Materialdispersionandabsorp- well-known original formula. Comparison with the
tionarefullytakenintoaccount. Inourapproach,the force formula
Lorentz force acting on the internal charges and cur-
¯hcπ2 µ 1 1
rentsofthe medium is regardedasthe basicquantity, F(M) = − ,
240 rε (cid:18)d4 d4(cid:19)
withtheinternalchargesandcurrentsbeingexpressed 3 1
in terms of the medium polarization and magnetiza- whichmaybefoundonthebasisofMinkowski’sstress
tion. It is shown that the result is in full agreement tensor and has erroneously been predicted (for µ=1)
with microscopic oscillator models, which are widely in the literature, clearlyshows that if the plate is em-
usedforthedescriptionoflinearmedia. Inparticular, beddedinamedium(ofstaticpermittivityεandper-
the result reveals that the use of Minkowski’s stress meabilityµ),thenthecorrectforcecannoticeablydif-
tensor in the calculation of Casimir forces—a method fer from the erroneously predicted one.
employed in the literature—is wrong even for a non-
absorbing medium.
References
We have applied the theory to planar structures,
with special emphasis on two multilayered plates the
[1] C. Raabe and D.-G. Welsch, “Casimir force act-
interspacebetweenwhichisfilledwithamedium,and
ingonmagnetodielectricbodiesembeddedinme-
on a homogeneous plate embedded in a planar cavity dia”, Phys. Rev. A 71, 013814 (2005).
filledwithamedium(seeFig.1). ThegeneralizedLif-