Aharonov-Bohm efekti

Aharonov-Bohm-ilmiö (muuten Ehrenberg-Sidai-Aharonov-Bohm-ilmiö ) on kvanttiilmiö , jossa sähkömagneettinen kenttä vaikuttaa hiukkaseen sähkövarauksella tai magneettimomentilla jopa niillä alueilla, joissa sähkökentän voimakkuus E ja magneettikenttä induktio B on yhtä suuri kuin nolla [1] , mutta sähkömagneettisen kentän skalaari- ja/tai vektoripotentiaalit eivät ole nolla (eli jos sähkömagneettinen potentiaali ei ole nolla ).

Tämän vaikutuksen varhaisimman muodon ennustivat Ehrenberg ja Sidai vuonna 1949 [2] , samanlaisen vaikutuksen ennustivat myöhemmin uudelleen Aharonov ja Bohm vuonna 1959 [3] .

Kokeile

Vaikutus havaitaan magneettikentällä ja sähkökentällä, mutta magneettikentän vaikutus on helpompi korjata, joten vaikutus rekisteröitiin sille ensimmäisen kerran vuonna 1960 [4] . Näitä koetietoja kuitenkin kritisoitiin, koska suoritetuissa mittauksissa ei pystytty täysin luomaan olosuhteita, joissa elektroni ei kulkisi lainkaan alueiden läpi, joiden magneettikentän voimakkuus ei ole nolla.

Kaikki epäilykset vaikutuksen olemassaolosta kokeissa poistuivat sen jälkeen, kun kokeet suoritettiin vuonna 1986 , kun käytettiin suprajohtavia materiaaleja , jotka suojaavat täysin magneettikentän (silloin, että ne suojaavat sen induktiovektoria) [5] .

Tulkinnat ja tulkinnat

Aharonov-Bohm-efektien olemus voidaan muotoilla uudelleen siten, että klassisen sähködynamiikan [6] tavallinen käsitys sähkömagneettisen kentän voimakkuuden [7] paikallisesta vaikutuksesta hiukkaseen ei riitä ennustamaan kvanttimekaanista vaikutusta. hiukkasen käyttäytyminen - itse asiassa se osoittautui tarpeelliseksi, jos lähdetään voimakkuudesta, tiedetään kentänvoimakkuus kaikessa avaruudessa. [8] (Jos E tai B on nollasta poikkeava ainakin jollakin avaruuden alueella, jonne varautunut hiukkanen ei pääse (kvanttitodennäköisyys päästä sinne on häviävän pieni), tällainen kenttä voi kuitenkin merkittävästi vaikuttaa tällaisen tilan kvanttikäyttäytymiseen. hiukkanen - toisin sanoen todennäköisyys sille, että hiukkanen osuu eri paikkoihin sille käytettävissä olevalla avaruuden alueella, diffraktiokuvio , mukaan lukien diffraktiomaksimin sijainti jne.).

Kuitenkin sähkömagneettisen potentiaalin kautta vaikutusteoria rakentuu luonnollisesti ja paikallisesti.

Aharonov-Bohm-ilmiö voidaan tulkita todisteeksi siitä , että sähkömagneettisen kentän potentiaalit eivät ole vain vahvuuksien laskennassa hyödyllinen matemaattinen abstraktio , vaan periaatteessa itsenäisesti havaittavissa [9] suureet, joilla on siten kiistaton ja suora fyysinen merkitys.

Potentiaalit vs tehoominaisuudet

Klassinen fysiikka perustuu voiman käsitteeseen ja sähkökentän voimakkuus E sekä magneettinen induktiovektori B  ovat oleellisesti sähkömagneettisen kentän "voimaominaisuuksia": niitä voidaan käyttää suorimmin ja suorimmin laskemaan voima. vaikuttaa varautuneeseen hiukkaseen (pohjimmiltaan esimerkiksi E  - ja yksikköön liikkumattomaan varaukseen vaikuttaa yksinkertaisesti voima).

Erityisen suhteellisuusteorian puitteissa tämä käsite ei ole kokenut radikaaleja muutoksia. Newtonin yhtälön voima ei ole 4-vektori , minkä vuoksi tässä teoriassa voiman käsitettä käyttävät laskelmat ja formulaatiot menettävät jossain määrin alkuperäisen newtonilaisen yksinkertaisuutensa ja kauneutensa (ja siksi sisään hiipii joitain epäilyksiä niiden perustavuudesta). ( E ja B eivät myöskään ole 4-vektoria, mutta tämä ei johda sähkömagneettista kenttää koskevien käsitysten täydelliseen korvaamiseen, koska niille löytyy melko suora ja kaunis 4-ulotteinen yleistys - sähkömagneettisen kentän tensori (komponentit E ja B osoittautuvat sen komponenteiksi), mikä mahdollistaa monin tavoin sähködynamiikan yhtälöiden kirjoittamisen vielä kompaktimmin ja kauniimmin kuin E ja B erikseen, samalla kun kenttävoimakkuus on sama).

Kvanttimekaniikassa hiukkanen esitetään aaltona (mikä tarkoittaa, että yleisesti ottaen se ei ole paikantunut johonkin avaruuden pisteeseen tai edes pienelle pisteen alueelle), joten sen kuvaaminen osoittautuu pohjimmiltaan vaikeaksi. vuorovaikutus jonkin kanssa (esimerkiksi sähkömagneettisen kentän kanssa) voiman suhteen (kunhan klassinen voiman tai voimakentän käsite tarkoittaa, että hiukkaseen kohdistuva vaikutus (joka klassikoissa on pistemäinen) tapahtuu myös yhdessä piste avaruudessa; ja käy ilmi, että tätä lähestymistapaa ei ole helppo yleistää delokalisoidun hiukkasen kvanttitapaukseen). Siksi kvanttimekaniikassa he käsittelevät mieluummin potentiaalista energiaa ja potentiaalia.

Sähködynamiikkaa muotoillessaan teoria voi periaatteessa valita pääsuureiksi vahvuudet E ja B tai potentiaalit φ ja A . Yhdessä φ ja A muodostavat 4-vektorin ( φ  on nollakomponentti, A  on kolme muuta komponenttia) - sähkömagneettisen potentiaalin ( 4-potentiaali ). Se ei kuitenkaan ole yksiselitteisesti määritelty, koska tähän 4-vektoriin voidaan aina lisätä 4-vektorin lisäys (ns. mittarimuunnos ), eivätkä kentät E ja B muutu (tämä on yksi mittarin ilmenemismuodoista). invarianssi ). Fyysikot ovat pitkään pohtineet, onko sähkömagneettinen potentiaalikenttä perustavanlaatuinen, vaikka sitä ei voidakaan yksiselitteisesti määritellä, vai onko sen esiintyminen teoriassa vain kätevä muodollinen matemaattinen temppu.

Aharonov-Bohm-ilmiön mukaan sähkömagneettista potentiaalia muuttamalla on mahdollista muuttaa suoraan mitattavia suureita - kuljettaa elektroni avaruuden alueiden läpi, joissa kentät E ja B puuttuvat kokonaan (joilla on nolla-arvot), mutta sähkömagneettinen potentiaali on eroaa nollasta: sähkömagneettisen potentiaalin muutokset muuttavat suoraan havaittavaa kuvaa, vaikka E ja B eivät muutu niillä avaruuden alueilla, jotka ovat hiukkaselle ulottuvilla ja joissa ne siten voitaisiin katsoa johtuvan paikallisesta fysikaalisesta vaikutuksesta siihen. Siten Aharonov-Bohm-ilmiö voisi olla argumentti potentiaalien perustavanlaatuisemman luonteen puolesta kenttävoimakkuuksiin verrattuna. Weidman kuitenkin osoitti, että Aharonov-Bohm-ilmiö voidaan selittää ilman potentiaalien käyttöä antamalla täysi kvanttimekaaninen käsittely sähkömagneettisen kentän luoville lähdevarauksille. Tämän näkemyksen mukaan kvanttimekaniikan potentiaali on yhtä fyysinen (tai ei-fyysinen) kuin se oli klassisesti.

Katso myös

Muistiinpanot

  1. ↑ Tämä on merkittävää ja näyttää melkein paradoksaalliselta, koska klassisessa fysiikassa varausten vuorovaikutus sähkömagneettisen kentän kanssa tapahtuu viime kädessä vain intensiteettien E ja B kautta , minkä vuoksi nämä suureet (sekä merkitykseltään että jopa terminologisesti) tunnistettiin sähkömagneettisella tavalla. itse kenttä, kun taas sähkömagneettisen kentän potentiaalia on pitkään pidetty (tai voitaisiin pitää, koska ne olivat kokeellisesti havaitsemattomia klassisessa fysiikassa) vain puhtaasti muodollisina apusuureina.
  2. ↑ Ehrenberg, W. ja RE Siday, "The Refractive Index in Electron Optics and the Principles of Dynamics", Proc. Phys. soc. (Lontoo) B62 , 8-21 (1949)
  3. ↑ Aharonov, Y. ja D. Bohm, "Significance of elektromagneettisten potentiaalien kvanttiteoriassa", 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 ja W. Bayh, Physikalische Blätter 18 , 299 (1961)
  5. ↑ Osakabe, N., T. Matsuda, T. Kawasaki, J. Endo, A. Tonomura, S. Yano ja H. Yamada et ai. Aharonov-Bohm-ilmiön kokeellinen vahvistus käyttämällä suprajohteen rajoittamaa toroidista magneettikenttää  (englanniksi)  // Physical Review A  : Journal. - 1986. - Voi. 34 , no. 2 . - s. 815-822 . - doi : 10.1103/PhysRevA.34.815 . - . — PMID 9897338 .
  6. ↑ Vaikutuksen odottamattomuus ja paradoksaalisuus on pitkälti seurausta klassisessa sähködynamiikassa muodostuneesta terminologiasta, jossa käsitteet sähkömagneettisesta kentästä ja sen voimakkuudesta ovat sulautuneet yhteen (kuten näkyy jo sanan vahvuus puuttumisesta termi sähkömagneettisen kentän tensori ), eli seurausta terminologiassa heijastuvasta vakaasta tottumuksesta, ota erityisesti huomioon, että "ei ole kenttää", jos vahvuudet E ja B ovat yhtä suuret kuin nolla, vaikka potentiaalit ja ei ole yhtä kuin nolla . Tämä tapa osoittautui yhteensopimattomaksi sen kanssa, että sähkömagneettisen kentän vuorovaikutusta varautuneiden hiukkasten kanssa pidettiin paikallisena.
  7. ↑ Vahvuus ymmärretään tässä sähkömagneettisen kentän tensoria , joka sisältää (komponentteina) sähkökentän voimakkuusvektorin ja magneettisen induktiovektorin komponentit ja on siten matemaattinen kohde, joka luonnehtii täysin sähkömagneettisen kentän voimakkuutta (voimakkuuksia). ala.
  8. ↑ Jos tiedät kentänvoimakkuuden koko avaruudessa, niin tyypillisessä koetilanteessa sähkömagneettisen potentiaalin ääriviivaintegraali, joka antaa vaihesiirtymän verrattuna tilanteeseen, jossa kenttä ei ole täydellinen, on Stokesin mukaan yhtä suuri. lause , (tensori)kentänvoimakkuuden pintaintegraaliin pinta-integraaliin, joka leikkaa alueen, jossa tämä voimakkuus on nollasta poikkeava (siellä pintaintegraali saa nollasta poikkeavan panoksen). Tässä mielessä käy ilmi, että vahvuuksien, ei potentiaalien, mukainen muotoilu ei ole paikallinen: nollasta poikkeava sähkömagneettisen kentän voimakkuus yhdessä paikassa avaruudessa vaikuttaa elektronin liikkeeseen muilla tästä paikasta kaukana olevilla alueilla ( vaikka se peittää alueen nollasta poikkeavalla vahvuudella, mutta ei leikkaa sen kanssa eikä edes lähellä sitä).
  9. ↑ Suoraan tarkkaan ottaen tarkkaan ottaen ei ole itse sähkömagneettista potentiaalia, vaan sen integraalit suljettujen ääriviivojen yli, mutta siitä huolimatta ne mitataan suoraan ja riippumattomasti E :stä ja B :stä vuorovaikutuksessa hiukkasen kanssa, jossa E ja B ovat nolla.

Kirjallisuus

Tieteelliset teokset Populaaritiede toimii

Linkit