Aharonov-Bohm effekt

Aharonov-Bohm-effekten (ellers Ehrenberg-Sidai-Aharonov-Bohm-effekten ) er et kvantefænomen , hvor et elektromagnetisk felt påvirker en partikel med en elektrisk ladning eller magnetisk moment selv i de områder, hvor den elektriske feltstyrke E og det magnetiske felt induktion B er lig med nul [1] , men skalar- og/eller vektorpotentialerne i det elektromagnetiske felt er ikke lig med nul (det vil sige, hvis det elektromagnetiske potentiale ikke er lig med nul ).

Den tidligste form for denne effekt blev forudsagt af Ehrenberg og Sidai i 1949 [2] , en lignende effekt blev senere forudsagt igen af ​​Aharonov og Bohm i 1959 [3] .

Eksperiment

Effekten observeres for et magnetfelt og et elektrisk felt, men påvirkningen af ​​et magnetfelt er lettere at fikse, så effekten blev først registreret for det i 1960 [4] . Disse eksperimentelle data blev imidlertid kritiseret, da det i de udførte målinger ikke var muligt fuldt ud at skabe betingelser, hvorunder elektronen slet ikke ville passere gennem områder med en magnetisk feltstyrke, der ikke er nul.

Al tvivl om eksistensen af ​​effekten i eksperimenterne blev fjernet, efter at der i 1986 blev udført forsøg med superledende materialer , der fuldstændig afskærmer magnetfeltet (i betydningen afskærmning af dets induktionsvektor) [5] .

Fortolkninger og fortolkninger

Essensen af ​​Aharonov-Bohm-effekterne kan omformuleres på en sådan måde, at det sædvanlige for klassisk elektrodynamik [6] koncept for den lokale effekt af styrken [7] af et elektromagnetisk felt på en partikel ikke er nok til at forudsige den kvantemekaniske opførsel af en partikel - faktisk viste det sig at være nødvendigt for dette, hvis vi går ud fra styrken, kender feltstyrken i hele rummet. [8] (Hvis E eller B er ikke-nul i det mindste i et område af rummet, hvor en ladet partikel ikke kan komme (kvantesandsynligheden for at komme dertil er forsvindende lille), kan et sådant felt ikke desto mindre påvirke kvanteadfærden af ​​sådanne en partikel - det vil sige sandsynligheden for, at en partikel rammer forskellige steder i det område af rummet, der er tilgængeligt for den, diffraktionsmønsteret , inklusive positionen af ​​diffraktionsmaksimumet osv.).

Men gennem det elektromagnetiske potentiale opbygges teorien om effekten naturligt og lokalt.

Aharonov-Bohm-effekten kan tolkes som bevis på, at potentialerne i et elektromagnetisk felt ikke blot er en matematisk abstraktion , der er nyttig til at beregne styrkerne, men i princippet uafhængigt observerbare [9] størrelser, og dermed har en utvivlsom og direkte fysisk betydning.

Potentialer vs Power karakteristika

Klassisk fysik er baseret på kraftbegrebet, og den elektriske feltstyrke E samt den magnetiske induktionsvektor B  er i det væsentlige "kraftkarakteristika" for det elektromagnetiske felt: de kan bruges til mest direkte og direkte at beregne kraften virker på en ladet partikel (i det væsentlige f.eks. E  - og der er simpelthen en kraft, der virker på en enheds immobil ladning).

Inden for rammerne af den særlige relativitetsteori har dette begreb ikke undergået radikale ændringer. Kraften fra Newtons ligning er ikke en 4-vektor , hvorfor beregninger og formuleringer, der anvender kraftbegrebet, i denne teori en del mister deres oprindelige newtonske enkelhed og skønhed (og derfor sniger sig tvivl om deres fundamentalitet ind). ( E og B er heller ikke 4-vektorer, men dette fører ikke til en fuldstændig udskiftning af ideerne om det elektromagnetiske felt, da der findes en ret direkte og smuk 4-dimensionel generalisering for dem - den elektromagnetiske felttensor (komponenterne E og B viser sig at være dens komponenter), hvilket på mange måder gør det muligt at skrive elektrodynamikkens ligninger endnu mere kompakt og smukt end E og B hver for sig, mens de forbliver i betydningen den samme feltstyrke).

I kvantemekanikken er en partikel repræsenteret som en bølge (hvilket betyder, at den generelt set ikke er lokaliseret i et punkt i rummet eller endda i et lille kvarter af et punkt), så det viser sig at være fundamentalt vanskeligt at beskrive dens interaktion med noget (f.eks. med et elektromagnetisk felt) i form af en kraft (det klassiske begreb om en kraft eller et kraftfelt indebærer jo, at påvirkningen på en partikel (som i klassikerne er punktlignende) også sker ved en punkt i rummet; og det viser sig, at det ikke er let at generalisere denne tilgang til kvantetilfældet af en delokaliseret partikel). Derfor foretrækker de i kvantemekanikken at beskæftige sig med potentiel energi og potentialer.

Ved formulering af elektrodynamik kan teorien i princippet vælge styrkerne E og B , eller potentialerne φ og A , som hovedstørrelser . Sammen danner φ og A en 4-vektor ( φ  er nul-komponenten, A  er de tre andre komponenter) - det elektromagnetiske potentiale ( 4-potentiale ). Det er dog ikke entydigt defineret, da der altid kan tilføjes en 4-vektor addition til denne 4-vektor (den såkaldte gauge transformation ), og felterne E og B ændres ikke (dette er en af ​​manifestationerne af gauge ) invarians ). I lang tid har fysikere spekuleret på, om det elektromagnetiske potentialfelt er fundamentalt, selvom det ikke kan defineres entydigt, eller om dets optræden i teorien blot er et praktisk formelt matematisk trick.

Ifølge Aharonov-Bohm-effekten er det ved at ændre det elektromagnetiske potentiale muligt at ændre direkte målbare størrelser - at sende en elektron gennem områder i rummet, hvor felterne E og B er fuldstændig fraværende (har nul værdier), men det elektromagnetiske potentiale er forskellig fra nul: ændringer i det elektromagnetiske potentiale ændrer det direkte observerede billede, selvom E og B ikke ændrer sig i de områder af rummet, der er tilgængelige for partiklen, og hvor de således kunne tilskrives en lokal fysisk effekt på den. Således kunne Aharonov-Bohm-effekten være et argument til fordel for en mere fundamental karakter af potentialer sammenlignet med feltstyrker. Weidman viste dog, at Aharonov-Bohm-effekten kan forklares uden brug af potentialer ved at give en fuld kvantemekanisk behandling af de kildeladninger, der skaber det elektromagnetiske felt. Ifølge denne opfattelse er potentialet i kvantemekanikken lige så fysisk (eller ikke-fysisk), som det var klassisk.

Se også

Noter

  1. ↑ Dette er væsentligt og virker næsten paradoksalt, da ladningers vekselvirkning med et elektromagnetisk felt i klassisk fysik i sidste ende kun sker gennem intensiteterne E og B , hvilket gjorde det sædvanligt at identificere disse størrelser (både i betydning og endda terminologisk) med den elektromagnetiske feltet selv, mens potentialerne i det elektromagnetiske felt længe har været betragtet (eller kunne betragtes, da de var eksperimentelt uobserverbare i klassisk fysik) kun som rent formelle hjælpestørrelser.
  2. ↑ Ehrenberg, W. og RE Siday, "The Refractive Index in Electron Optics and the Principles of Dynamics", Proc. Phys. soc. (London) B62 , 8-21 (1949)
  3. ↑ Aharonov, Y. og D. Bohm, "Betydning af elektromagnetiske potentialer i kvanteteori", Phys. Rev. 115 , 485-491 (1959).
  4. ↑ RG Chambers, "Shift of an Electron Interference Pattern by Enclosed Magnetic Flux," Phys. Rev. Lett. 5 , 3 (1960); G. Möllenstedt og W. Bayh, Physikalische Blätter 18 , 299 (1961)
  5. ↑ Osakabe, N., T. Matsuda, T. Kawasaki, J. Endo, A. Tonomura, S. Yano og H. Yamada et al. Eksperimentel bekræftelse af Aharonov-Bohm-effekten ved hjælp af et toroidformet magnetfelt begrænset af en superleder  (engelsk)  // Physical Review A  : journal. - 1986. - Bd. 34 , nr. 2 . - s. 815-822 . - doi : 10.1103/PhysRevA.34.815 . - . — PMID 9897338 .
  6. ↑ Effektens uventede og paradoksale karakter er i høj grad en konsekvens af den terminologi, der er dannet i klassisk elektrodynamik, hvor begreberne om et elektromagnetisk felt og dets styrke er smeltet sammen (som det allerede kan ses af fraværet af ordet styrke i begrebet elektromagnetisk felttensor ), det vil sige en konsekvens af en stabil vane afspejlet i terminologien, i særdeleshed overveje, at "der er intet felt", hvis styrkerne E og B er lig med nul, selvom potentialerne og var ikke lig med nul . Denne vane viste sig at være uforenelig med at betragte det elektromagnetiske felts interaktion med ladede partikler som lokalt.
  7. ↑ Styrken forstås her som den elektromagnetiske felttensor , der omfatter (som komponenter) komponenterne i den elektriske feltstyrkevektor og den magnetiske induktionsvektor og er således et matematisk objekt, der fuldstændig karakteriserer styrken(e) af det elektromagnetiske felt.
  8. ↑ Hvis du kender feltstyrken i hele rummet, så i en typisk eksperimentel situation er konturintegralet af det elektromagnetiske potentiale, som giver en faseforskydning sammenlignet med situationen med fuldstændig fravær af feltet, det samme ifølge Stokes sætning , til overfladeintegralet af (tensor)feltstyrken over overfladen, der skærer dette område, hvor denne styrke er ikke-nul (det er der, at overfladeintegralet modtager et bidrag, der ikke er nul). I denne forstand viser det sig, at formuleringen i form af styrker, og ikke potentialer, ikke er lokal: en elektromagnetisk feltstyrke, der ikke er nul på ét sted i rummet, virker på bevægelsen af ​​en elektron i andre områder fjernt fra dette sted ( selvom det dækker området med en styrke, der ikke er nul, men ikke skærer med det og ikke engang støder op til det tæt).
  9. ↑ Direkte observeret, strengt taget, er ikke selve det elektromagnetiske potentiale, men dets integraler over lukkede konturer, men ikke desto mindre måles de direkte og uafhængigt af E og B , der vekselvirker med partiklen, hvor E og B er lig med nul.

Litteratur

Videnskabelige arbejder Populærvidenskaben virker

Links