Aharonov-Bohm-effekt

Aharonov-Bohm-effekten (annars Ehrenberg-Sidai-Aharonov-Bohm-effekten ) är ett kvantfenomen där ett elektromagnetiskt fält påverkar en partikel med en elektrisk laddning eller magnetiskt moment även i de områden där det elektriska fältets styrka E och magnetfältet induktion B är lika med noll [ 1 ] , men skalär- och/eller vektorpotentialerna för det elektromagnetiska fältet är inte lika med noll (det vill säga om den elektromagnetiska potentialen inte är lika med noll ).

Den tidigaste formen av denna effekt förutspåddes av Ehrenberg och Sidai 1949 [2] , en liknande effekt förutspåddes senare igen av Aharonov och Bohm 1959 [ 3] .

Experiment

Effekten observeras för ett magnetfält och ett elektriskt fält, men påverkan av ett magnetfält är lättare att fixa, så effekten registrerades först för det 1960 [4] . Dessa experimentella data kritiserades dock, eftersom det i de utförda mätningarna inte var möjligt att helt skapa förhållanden under vilka elektronen inte alls skulle passera genom områden med en magnetisk fältstyrka som inte var noll.

Alla tvivel om existensen av effekten i experimenten togs bort efter att experiment utförts 1986 med supraledande material som helt skärmar magnetfältet (i betydelsen av att skärma dess induktionsvektor) [5] .

Tolkningar och tolkningar

Kärnan i Aharonov-Bohm-effekterna kan omformuleras på ett sådant sätt att det vanliga för klassisk elektrodynamik [6] konceptet med den lokala effekten av styrkan [7] hos ett elektromagnetiskt fält på en partikel inte är tillräckligt för att förutsäga den kvantmekaniska beteende hos en partikel — i själva verket visade det sig vara nödvändigt för detta, om vi utgår från styrkan, känner till fältstyrkan i hela rymden. [8] (Om E eller B är icke-noll åtminstone i någon region av rymden där en laddad partikel inte kan komma (kvantsannolikheten att ta sig dit är försvinnande liten), ändå kan ett sådant fält signifikant påverka kvantbeteendet hos sådana en partikel - det vill säga sannolikheten för att en partikel träffar olika platser i det område av rymden som är tillgängligt för den, diffraktionsmönstret , inklusive positionen för diffraktionsmaximum, etc.).

Men genom den elektromagnetiska potentialen byggs teorin om effekten upp naturligt och lokalt.

Aharonov-Bohm-effekten kan tolkas som bevis på att potentialerna för ett elektromagnetiskt fält inte bara är en matematisk abstraktion användbar för att beräkna styrkorna, utan i princip oberoende observerbara [9] storheter, och har således en otvivelaktig och direkt fysisk betydelse.

Potential vs Power egenskaper

Klassisk fysik är baserad på kraftbegreppet, och den elektriska fältstyrkan E , liksom den magnetiska induktionsvektorn B  , är i huvudsak det elektromagnetiska fältets "kraftkarakteristika": de kan användas för att mest direkt och direkt beräkna kraften som verkar på en laddad partikel (i huvudsak, säg E  - och det finns helt enkelt en kraft som verkar på en enhets orörlig laddning).

Inom ramen för den speciella relativitetsteorin har detta begrepp inte genomgått radikala förändringar. Kraften från Newtons ekvation är inte en 4-vektor , vilket är anledningen till att i denna teori förlorar beräkningar och formuleringar som använder kraftbegreppet något sin ursprungliga newtonska enkelhet och skönhet (och därför smyger sig vissa tvivel om deras fundamentalitet in). ( E och B är inte heller 4-vektorer, men detta leder inte till en fullständig ersättning av idéerna om det elektromagnetiska fältet, eftersom en ganska direkt och vacker 4-dimensionell generalisering finns för dem - den elektromagnetiska fälttensoren (komponenterna E och B visar sig vara dess komponenter), vilket på många sätt gör det möjligt att skriva elektrodynamiska ekvationer ännu mer kompakt och vackert än E och B separat, samtidigt som de behåller samma fältstyrka).

Inom kvantmekaniken representeras en partikel som en våg (vilket betyder att den generellt sett inte är lokaliserad till en punkt i rymden eller ens i ett litet område av en punkt), så det visar sig vara fundamentalt svårt att beskriva dess interaktion med något (till exempel med ett elektromagnetiskt fält) i termer av en kraft (trots allt, det klassiska begreppet en kraft eller ett kraftfält innebär att verkan på en partikel (som i klassikerna är punktlik) också sker vid en punkt i rymden; och det visar sig att det inte är lätt att generalisera detta tillvägagångssätt till kvantfallet med en delokaliserad partikel). Därför föredrar de inom kvantmekaniken att ta itu med potentiell energi och potentialer.

Vid formulering av elektrodynamik kan teorin i princip välja styrkorna E och B , eller potentialerna φ och A , som huvudstorheter . Tillsammans bildar φ och A en 4-vektor ( φ  är nollkomponenten, A  är de andra tre komponenterna) - den elektromagnetiska potentialen ( 4-potential ). Det är dock inte unikt definierat, eftersom någon 4-vektor-addition alltid kan läggas till denna 4-vektor (den så kallade gauge-transformationen ), och fälten E och B ändras inte (detta är en av manifestationerna av gauge invarians ). Under lång tid har fysiker undrat om det elektromagnetiska potentialfältet är fundamentalt, även om det inte kan definieras unikt, eller om dess utseende i teorin bara är ett praktiskt formellt matematiskt trick.

Enligt Aharonov-Bohm-effekten, genom att ändra den elektromagnetiska potentialen, är det möjligt att ändra direkt mätbara storheter - att passera en elektron genom områden i rymden där fälten E och B är helt frånvarande (har nollvärden), men den elektromagnetiska potentialen är skiljer sig från noll: förändringar i den elektromagnetiska potentialen förändrar den direkt observerade bilden, även om E och B inte förändras i de områden av rymden som är tillgängliga för partikeln, och där de således skulle kunna tillskrivas en lokal fysisk effekt på den. Således kan Aharonov-Bohm-effekten vara ett argument för en mer fundamental karaktär av potentialer jämfört med fältstyrkor. Weidman visade dock att Aharonov-Bohm-effekten kan förklaras utan användning av potentialer genom att ge en fullständig kvantmekanisk behandling av källladdningarna som skapar det elektromagnetiska fältet. Enligt denna uppfattning är potentialen i kvantmekaniken lika fysisk (eller icke-fysisk) som den var klassiskt.

Se även

Anteckningar

  1. ↑ Detta är betydelsefullt och verkar nästan paradoxalt, eftersom i klassisk fysik växelverkan mellan laddningar och ett elektromagnetiskt fält sker i slutändan endast genom intensiteterna E och B , vilket gjorde det vanligt att identifiera dessa storheter (både i betydelse och till och med terminologiskt) med de elektromagnetiska fältet självt, medan potentialerna för det elektromagnetiska fältet länge har betraktats (eller kunde betraktas, eftersom de var experimentellt omöjliga att observera i klassisk fysik) endast som rent formella hjälpstorheter.
  2. ↑ Ehrenberg, W. och RE Siday, "The Refractive Index in Electron Optics and the Principles of Dynamics", Proc. Phys. soc. (London) B62 , 8-21 (1949)
  3. ↑ Aharonov, Y. och D. Bohm, "Betydningen av elektromagnetiska potentialer i kvantteorin", Phys. Varv. 115 , 485-491 (1959).
  4. ↑ RG Chambers, "Shift of an Electron Interference Pattern by Enclosed Magnetic Flux," Phys. Varv. Lett. 5 , 3 (1960); G. Möllenstedt och W. Bayh, Physikalische Blätter 18 , 299 (1961)
  5. ↑ Osakabe, N., T. Matsuda, T. Kawasaki, J. Endo, A. Tonomura, S. Yano och H. Yamada et al. Experimentell bekräftelse av Aharonov–Bohm-effekten med hjälp av ett toroidalt magnetfält begränsat av en supraledare  (engelska)  // Physical Review A  : journal. - 1986. - Vol. 34 , nr. 2 . - s. 815-822 . - doi : 10.1103/PhysRevA.34.815 . - . — PMID 9897338 .
  6. ↑ Effektens oväntade och paradoxala karaktär är till stor del en konsekvens av den terminologi som har bildats inom klassisk elektrodynamik, där begreppen om ett elektromagnetiskt fält och dess styrka har smält samman (som redan kan ses från frånvaron av ordet styrka i termen elektromagnetisk fälttensor ), det vill säga en konsekvens av en stabil vana som återspeglas i terminologin, i synnerhet anser att "det finns inget fält" om styrkorna E och B är lika med noll, även om potentialerna och var inte lika med noll . Denna vana visade sig vara oförenlig med att betrakta interaktionen mellan det elektromagnetiska fältet och laddade partiklar som lokal.
  7. ↑ Styrkan förstås här som den elektromagnetiska fälttensorn , som inkluderar (som komponenter) komponenterna i den elektriska fältstyrkevektorn och den magnetiska induktionsvektorn och är alltså ett matematiskt objekt som helt och hållet karakteriserar det elektromagnetiska fältets styrka.
  8. ↑ Om du känner till fältstyrkan i hela rymden, så i en typisk experimentell situation, är konturintegralen av den elektromagnetiska potentialen, som ger en fasförskjutning jämfört med situationen med fullständig frånvaro av fältet, lika, enligt Stokes sats , till ytintegralen av (tensor)fältstyrkan över ytan som skär det området, där denna styrka är från noll (det är där som ytintegralen får ett bidrag som inte är noll). I denna mening visar det sig att formuleringen i termer av styrkor, och inte potentialer, inte är lokal: en elektromagnetisk fältstyrka som inte är noll på ett ställe i rymden verkar på en elektrons rörelse i andra regioner på avstånd från denna plats ( även om den täcker regionen med en styrka som inte är noll, men inte korsar den och inte ens intill den nära).
  9. ↑ Direkt observerad, strängt taget, är inte den elektromagnetiska potentialen i sig, utan dess integraler över slutna konturer, men ändå mäts de direkt och oberoende av E och B , i samverkan med partikeln där E och B är lika med noll.

Litteratur

Vetenskapliga verk Populärvetenskap fungerar

Länkar