Efectul Aharov-Bohm

Efectul Aharonov-Bohm (altfel efectul Ehrenberg-Sidai-Aharonov-Bohm ) este un fenomen cuantic în care un câmp electromagnetic afectează o particulă cu o sarcină electrică sau un moment magnetic chiar și în acele zone în care intensitatea câmpului electric E și câmpul magnetic inducția B sunt egale cu zero [ 1] , dar potențialele scalare și/sau vectoriale ale câmpului electromagnetic nu sunt egale cu zero (adică dacă potențialul electromagnetic nu este egal cu zero ).

Cea mai timpurie formă a acestui efect a fost prezisă de Ehrenberg și Sidai în 1949 [2] , un efect similar a fost prezis ulterior din nou de Aharonov și Bohm în 1959 [3] .

Experiment

Efectul este observat pentru un câmp magnetic și un câmp electric, dar influența unui câmp magnetic este mai ușor de fixat, așa că efectul a fost înregistrat pentru prima dată în 1960 [4] . Aceste date experimentale au fost însă criticate, deoarece în măsurătorile efectuate nu a fost posibil să se creeze pe deplin condiții în care electronul să nu treacă deloc prin regiuni cu o intensitate a câmpului magnetic diferit de zero.

Toate îndoielile cu privire la existența efectului în experimente au fost înlăturate după ce au fost efectuate experimente în 1986 folosind materiale supraconductoare care ecranează complet câmpul magnetic (în sensul de a-și proteja vectorul de inducție) [5] .

Interpretări și interpretări

Esența efectelor Aharonov-Bohm poate fi reformulată în așa fel încât conceptul obișnuit pentru electrodinamica clasică [6] al efectului local al forței [7] a unui câmp electromagnetic asupra unei particule nu este suficient pentru a prezice mecanica cuantică. comportamentul unei particule - de fapt, sa dovedit a fi necesar pentru aceasta, dacă pornim de la putere, cunoaștem puterea câmpului în tot spațiul. [8] (Dacă E sau B este diferit de zero, cel puțin într-o regiune a spațiului unde o particulă încărcată nu poate ajunge (probabilitatea cuantică de a ajunge acolo este dispărător de mică), cu toate acestea, un astfel de câmp poate afecta semnificativ comportamentul cuantic al unui astfel de câmp o particulă - adică probabilitatea ca o particulă să lovească diferite locuri din regiunea spațiului care îi este accesibilă, modelul de difracție , inclusiv poziția maximului de difracție etc.).

Totuși, prin potențialul electromagnetic, teoria efectului se construiește în mod natural și local.

Efectul Aharonov-Bohm poate fi interpretat ca o dovadă că potențialele unui câmp electromagnetic nu sunt doar o abstractizare matematică utilă pentru calcularea forțelor, ci în principiu cantități observabile independent [9] , având astfel un sens fizic neîndoielnic și direct .

Caracteristici potențiale vs putere

Fizica clasică se bazează pe conceptul de forță, iar intensitatea câmpului electric E , precum și vectorul de inducție magnetică B  , sunt în esență „caracteristicile forței” ale câmpului electromagnetic: pot fi folosite pentru a calcula cel mai direct și direct forța. care acționează asupra unei particule încărcate (în esență, să zicem, E  - și există pur și simplu o forță care acționează asupra unei unități de sarcină imobilă).

În cadrul teoriei speciale a relativității , acest concept nu a suferit modificări radicale. Forța din ecuația lui Newton nu este un vector de 4 , motiv pentru care în această teorie, calculele și formulările care utilizează conceptul de forță își pierd oarecum simplitatea și frumusețea newtoniană inițială (și, prin urmare, unele îndoieli cu privire la fundamentalitatea lor se strecoară). ( E și B nu sunt, de asemenea, 4 vectori, dar acest lucru nu duce la o înlocuire completă a ideilor despre câmpul electromagnetic, deoarece pentru ei se găsește o generalizare 4-dimensională destul de directă și frumoasă - tensorul câmpului electromagnetic (componentele E și B se dovedesc a fi componentele sale), în multe feluri permițând să scrieți ecuațiile electrodinamicii chiar mai compact și mai frumos decât E și B separat, rămânând în același timp aceeași intensitate a câmpului).

În mecanica cuantică , o particulă este reprezentată ca o undă (ceea ce înseamnă că, în general, nu este localizată într-un punct din spațiu sau chiar într-o mică vecinătate a unui punct), așa că se dovedește a fi fundamental dificil de descris. interacțiunea cu ceva (de exemplu, cu un câmp electromagnetic) în termeni de forță (la urma urmei, conceptul clasic de forță sau câmp de forță implică faptul că acțiunea asupra unei particule (care în clasici este punctuală) are loc și la o punct în spațiu; și se dovedește că nu este ușor să generalizezi această abordare la cazul cuantic al unei particule delocalizate). Prin urmare, în mecanica cuantică, ei preferă să se ocupe de energia potențială și potențialele.

La formularea electrodinamicii, teoria poate alege, în principiu, puterile E și B , sau potențialele φ și A , ca mărimi principale . Împreună φ și A formează un 4-vector ( φ  este componenta zero, A  este celelalte trei componente) - potențialul electromagnetic ( 4-potențial ). Cu toate acestea, nu este definit în mod unic, deoarece o adăugare de 4 vectori poate fi întotdeauna adăugată la acest vector de 4 (așa-numita transformare gauge ), iar câmpurile E și B nu se schimbă (aceasta este una dintre manifestările gauge ). invarianta ). Multă vreme, fizicienii s-au întrebat dacă câmpul potențial electromagnetic este fundamental, chiar dacă nu poate fi definit în mod unic, sau dacă apariția lui în teorie este doar un truc matematic formal convenabil.

Conform efectului Aharonov-Bohm, prin modificarea potențialului electromagnetic, este posibilă modificarea cantităților măsurabile direct - trecând un electron prin regiuni ale spațiului în care câmpurile E și B sunt complet absente (au valori zero), dar potențialul electromagnetic este diferit de zero: modificările potențialului electromagnetic modifică imaginea observată direct, deși E și B nu se modifică în acele regiuni ale spațiului care sunt accesibile particulei și în care astfel ar putea fi atribuite unui efect fizic local asupra acesteia. Astfel, efectul Aharonov-Bohm ar putea fi un argument în favoarea unui caracter mai fundamental al potențialelor în comparație cu intensitățile câmpului. Cu toate acestea, Weidman a arătat că efectul Aharonov-Bohm poate fi explicat fără utilizarea potențialelor, oferind un tratament mecanic cuantic complet sarcinilor sursei care creează câmpul electromagnetic. Potrivit acestui punct de vedere, potențialul în mecanica cuantică este la fel de fizic (sau non-fizic) precum era clasic.

Vezi și

Note

  1. ↑ Acest lucru este semnificativ și pare aproape paradoxal, deoarece în fizica clasică interacțiunea sarcinilor cu un câmp electromagnetic are loc în ultimă instanță doar prin intensitățile E și B , ceea ce a făcut obișnuită identificarea acestor mărimi (atât ca semnificație, cât și chiar terminologic) cu cele electromagnetice. câmpul în sine, în timp ce potențialele câmpului electromagnetic au fost considerate de mult timp (sau ar putea fi considerate, deoarece erau neobservabile experimental în fizica clasică) doar ca mărimi auxiliare pur formale.
  2. ^ Ehrenberg, W. și RE Siday , „Indicele de refracție în optica electronilor și principiile dinamicii”, Proc. Fiz. soc. (Londra) B62 , 8-21 (1949)
  3. ↑ Aharonov, Y. și D. Bohm, „Semnificația potențialelor electromagnetice în teoria cuantică”, 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 și W. Bayh, Physikalische Blätter 18 , 299 (1961)
  5. ↑ Osakabe, N., T. Matsuda, T. Kawasaki, J. Endo, A. Tonomura, S. Yano și H. Yamada și colab. Confirmare experimentală a efectului Aharonov-Bohm folosind un câmp magnetic toroidal limitat de un supraconductor  (engleză)  // Revista fizică A  : jurnal. - 1986. - Vol. 34 , nr. 2 . - P. 815-822 . - doi : 10.1103/PhysRevA.34.815 . - Cod . — PMID 9897338 .
  6. ↑ Caracterul neașteptat și paradoxal al efectului este în mare măsură o consecință a terminologiei care s-a format în electrodinamica clasică, în care conceptele de câmp electromagnetic și puterea acestuia s-au contopit (după cum se poate observa deja din absența cuvântului putere în termenul de tensor de câmp electromagnetic ), adică o consecință a unui obicei stabil reflectat în terminologie, în special, să considerăm că „nu există câmp” dacă puterile E și B sunt egale cu zero, chiar dacă potențialele și au fost nu este egal cu zero . Acest obicei sa dovedit a fi incompatibil cu considerarea interacțiunii câmpului electromagnetic cu particulele încărcate ca fiind locală.
  7. ↑ Puterea aici este înțeleasă ca tensorul câmpului electromagnetic , care include (ca componente) componentele vectorului intensității câmpului electric și vectorului de inducție magnetică și este astfel un obiect matematic care caracterizează complet puterea (e) câmpului electromagnetic.
  8. ↑ Dacă cunoașteți intensitatea câmpului în tot spațiul, atunci într-o situație experimentală tipică, integrala de contur a potențialului electromagnetic, care dă o defazare în comparație cu situația de absență completă a câmpului, este egală, conform lui Stokes. teorema , la integrala de suprafață a intensității câmpului (tensor) peste suprafața care intersectează acea zonă, unde această intensitate este diferită de zero (acolo integrala de suprafață primește o contribuție diferită de zero). În acest sens, se dovedește că formularea în termeni de forțe, și nu de potențiale, nu este locală: o intensitate a câmpului electromagnetic diferit de zero într-un loc în spațiu acționează asupra mișcării unui electron în alte regiuni îndepărtate de acest loc ( deși acoperă regiunea cu o putere diferită de zero, dar nu se intersectează cu ea și nici măcar adiacentă îndeaproape).
  9. ↑ Observat în mod direct, strict vorbind, nu este potențialul electromagnetic în sine, ci integralele sale pe contururi închise, dar totuși ele sunt măsurate direct și independent de E și B , interacționând cu particula unde E și B sunt egale cu zero.

Literatură

Lucrări științifice Lucrări de știință populară

Link -uri