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] .
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] .
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 .
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.