Aharonov-Bohm effektus

Az Aharonov-Bohm-effektus (egyébként Ehrenberg-Sidai-Aharonov-Bohm-effektus ) egy olyan kvantumjelenség , amelyben az elektromágneses tér elektromos töltéssel vagy mágneses momentummal hat egy részecskére még azokon a területeken is, ahol az E elektromos térerősség és a mágneses tér B indukció egyenlő nullával [ 1] , de az elektromágneses tér skaláris és/vagy vektorpotenciálja nem egyenlő nullával (vagyis ha az elektromágneses potenciál nem egyenlő nullával ).

Ennek a hatásnak a legkorábbi formáját Ehrenberg és Sidai jósolta meg 1949 -ben [2] , hasonló hatást később Aharonov és Bohm is megjósolt 1959 -ben [3] .

Kísérlet

A hatás mágneses térre és elektromos térre is megfigyelhető, de a mágneses tér hatása könnyebben rögzíthető, ezért a hatást először 1960 -ban regisztrálták rá [4] . Ezeket a kísérleti adatokat azonban bírálták, mivel az elvégzett mérések során nem sikerült teljes mértékben megteremteni azokat a feltételeket, amelyek mellett az elektron egyáltalán ne haladjon át a nullától eltérő mágneses térerősségű tartományokon.

Az 1986 -ban végzett kísérletek után, amelyek a mágneses mezőt teljesen árnyékoló szupravezető anyagokkal (az indukciós vektor árnyékolása értelmében) védő szupravezető anyagok felhasználásával , minden kétséget eloszlottak a kísérletekben a hatás létezésével kapcsolatban [5] .

Értelmezések és értelmezések

Az Aharonov-Bohm-effektusok lényege újrafogalmazható úgy, hogy a klasszikus elektrodinamikában [6] szokásos, az elektromágneses tér erősségének [7] részecskére gyakorolt ​​lokális hatásának koncepciója nem elegendő a kvantummechanikai hatás előrejelzéséhez. részecske viselkedése – valójában ehhez szükségesnek bizonyult, ha az erősségből indulunk ki, ismerjük a térerősséget minden térben. [8] (Ha E vagy B nem nulla legalább a tér olyan tartományában, ahová egy töltött részecske nem tud eljutni (a kvantumvalószínűsége, hogy eljusson oda), ennek ellenére egy ilyen mező jelentősen befolyásolhatja a kvantum viselkedését. részecske - vagyis annak a valószínűsége, hogy egy részecske a számára hozzáférhető térrégióban különböző helyekre ütközik, a diffrakciós mintázat, beleértve a diffrakciós maximum helyzetét stb.).

Az elektromágneses potenciálon keresztül azonban a hatás elmélete természetesen és lokálisan épül fel.

Az Aharonov-Bohm-effektus annak bizonyítékaként értelmezhető, hogy az elektromágneses tér potenciáljai nem csupán az erősségek kiszámításához használható matematikai absztrakció , hanem elvileg egymástól függetlenül megfigyelhető [9] mennyiségek, így kétségtelen és közvetlen fizikai jelentéssel bírnak.

Potenciál vs teljesítmény jellemzők

A klasszikus fizika az erő fogalmán alapul, és az E elektromos térerősség , valamint a B mágneses indukciós vektor  lényegében az elektromágneses tér "erőjellemzői": ezek segítségével lehet a legközvetlenebbül és legközvetlenebbül számítani az erőt. töltött részecskékre hatva (lényegében mondjuk E  - és egyszerűen egy egységnyi mozdulatlan töltésre ható erő).

A speciális relativitáselmélet keretein belül ez a koncepció nem változott radikálisan. A Newton-egyenletből származó erő nem 4-vektoros , ezért ebben az elméletben az erő fogalmát használó számítások és megfogalmazások némileg elveszítik eredeti newtoni egyszerűségüket és szépségüket (és ezért némi kétely merül fel alapvetőségükkel kapcsolatban). ( E és B szintén nem 4-vektorok, de ez nem vezet az elektromágneses térről alkotott elképzelések teljes felváltásához, mivel egy meglehetősen közvetlen és gyönyörű 4 dimenziós általánosítás található számukra - az elektromágneses tér tenzor (a komponensek E és B összetevőinek bizonyulnak), sok tekintetben lehetővé téve az elektrodinamikai egyenletek még tömörebben és szebben írható fel, mint E és B külön-külön, miközben jelentésében ugyanaz a térerősség).

A kvantummechanikában a részecskét hullámként ábrázolják (ami azt jelenti, hogy általában nem lokalizálódik a tér egy pontjában, vagy még csak egy pont kis szomszédságában sem), ezért kiderül, hogy alapvetően nehéz leírni. kölcsönhatás valamivel (például elektromágneses térrel) erőben kifejezve (végül is az erő vagy erőtér klasszikus fogalma azt jelenti, hogy a részecskékre gyakorolt ​​hatás (ami a klasszikusokban pontszerű) szintén egy ponton történik. pont a térben; és kiderül, hogy ezt a megközelítést nem könnyű általánosítani egy delokalizált részecske kvantumesetére). Ezért a kvantummechanikában szívesebben foglalkoznak a potenciális energiával és potenciálokkal.

Az elektrodinamika megfogalmazásakor az elmélet elvileg az E és B erősséget , vagy a φ és A potenciált választhatja fő mennyiségnek . φ és A együtt 4-vektort alkotnak ( φ  a nulla komponens, A  a másik három komponens) - az elektromágneses potenciált ( 4-potenciál ). Ez azonban nem egyedileg definiált, hiszen ehhez a 4 vektorhoz mindig hozzáadható valamilyen 4 vektoros összeadás (ún. mérőtranszformáció ), és az E és B mezők nem változnak (ez a mérőeszköz egyik megnyilvánulása változatlanság ). A fizikusok sokáig azon töprengtek, vajon az elektromágneses potenciálmező alapvető-e, még ha nem is határozható meg egyértelműen, vagy elméleti megjelenése csak egy kényelmes formális matematikai trükk.

Az Aharonov-Bohm effektus szerint az elektromágneses potenciál változtatásával közvetlenül mérhető mennyiségek megváltoztatása lehetséges - egy elektron áthaladása a tér olyan tartományain, ahol az E és B mezők teljesen hiányoznak (nulla értékük van), de az elektromágneses potenciál nullától eltérő: az elektromágneses potenciál változása megváltoztatja a közvetlenül megfigyelt képet, bár E és B nem változik a tér azon részein, amelyek a részecske számára hozzáférhetőek, és amelyekben a részecske helyi fizikai hatásának tulajdoníthatók. Így az Aharonov-Bohm effektus érv lehet a térerősségekhez képest a potenciálok alapvetőbb jellege mellett. Weidman azonban megmutatta, hogy az Aharonov-Bohm-effektus potenciálok felhasználása nélkül magyarázható az elektromágneses teret létrehozó forrástöltések teljes kvantummechanikai kezelésével. E nézet szerint a kvantummechanikában rejlő potenciál éppen olyan fizikai (vagy nem fizikai), mint klasszikusan.

Lásd még

Jegyzetek

  1. ↑ Ez jelentős és szinte paradoxnak tűnik, hiszen a klasszikus fizikában a töltések elektromágneses térrel való kölcsönhatása végső soron csak az E és B intenzitáson keresztül megy végbe , amitől szokássá vált, hogy ezeket a mennyiségeket (értelmében és terminológiailag is) az elektromágnesessel azonosítják. magát a mezőt, míg az elektromágneses tér potenciáljait sokáig csak pusztán formális segédmennyiségeknek tekintik (vagy szóba jöhetnek, mivel a klasszikus fizikában kísérletileg nem voltak megfigyelhetők).
  2. ↑ Ehrenberg, W. és RE Siday, "The Refractive Index in Electron Optics and the Principles of Dynamics", Proc. Phys. szoc. (London) B62 , 8-21 (1949)
  3. ↑ Aharonov, Y. és D. Bohm, "Significance of electromagnetic potencials in quantum theory", Phys. Fordulat. 115 , 485-491 (1959).
  4. ↑ RG Chambers, "Shift of an Electron Interference Pattern by Enclosed Magnetic Flux", Phys. Fordulat. Lett. 5 , 3 (1960); G. Möllenstedt és W. Bayh, Physikalische Blätter 18 , 299 (1961)
  5. ↑ Osakabe, N., T. Matsuda, T. Kawasaki, J. Endo, A. Tonomura, S. Yano és H. Yamada et al. Az Aharonov–Bohm-effektus kísérleti megerősítése szupravezető által határolt toroid mágneses térrel  (angol)  // Physical Review A  : Journal. - 1986. - 1. évf. 34 , sz. 2 . - P. 815-822 . - doi : 10.1103/PhysRevA.34.815 . - . — PMID 9897338 .
  6. ↑ A hatás váratlansága és paradox jellege nagyrészt a klasszikus elektrodinamikában kialakult terminológiának a következménye, amelyben az elektromágneses tér és annak erőssége fogalma összeolvadt (amint az már az erősség szó hiányából is látható. az elektromágneses tér tenzor kifejezést ), vagyis a terminológiában tükröződő stabil szokás következménye, különös tekintettel arra, hogy „nincs tér”, ha az E és B erősségek egyenlőek nullával, még akkor is, ha a potenciálok és nem egyenlő nullával . Ez a szokás összeegyeztethetetlennek bizonyult azzal, hogy az elektromágneses mező és a töltött részecskék kölcsönhatását lokálisnak tekintsük.
  7. ↑ Erősség alatt itt az elektromágneses tér tenzorát értjük , amely magában foglalja (összetevőként) az elektromos térerősség vektorának és a mágneses indukciós vektornak az összetevőit, és így egy matematikai objektum, amely teljes mértékben jellemzi az elektromágneses tér erősségét (erősségeit).
  8. ↑ Ha ismered a térerősséget minden térben, akkor egy tipikus kísérleti helyzetben az elektromágneses potenciál kontúrintegrálja, amely a tér teljes hiányának helyzetéhez képest fáziseltolódást ad, Stokes szerint egyenlő. tétel , a (tenzor) térerősség felületi integráljához az adott területet metsző felület felett, ahol ez az erősség nem nulla (itt kap a felületi integrál nullától eltérő hozzájárulást). Ebben az értelemben kiderül, hogy az erősségek és nem a potenciálok megfogalmazása nem lokális: a tér egyik helyén a nullától eltérő elektromágneses térerősség az elektron mozgására hat más, ettől a helytől távol eső régiókban ( bár nem nulla erősséggel fedi le a régiót, de nem metszi azt, és nem is szomszédos vele szorosan).
  9. ↑ Közvetlenül megfigyelhető, szigorúan véve nem magát az elektromágneses potenciált, hanem annak integráljait zárt körvonalakon, de ennek ellenére közvetlenül és E -től és B - től függetlenül mérik , kölcsönhatásba lépve a részecskével, ahol E és B egyenlő nullával.

Irodalom

Tudományos munkák Népszerű tudományos munkák

Linkek