Эффе́кт Ааро́нова — Бо́ма (иначе эффект Эренберга — Сидая — Ааронова — Бома ) — квантовое явление, при котором на частицу с электрическим зарядом или магнитным моментом , электромагнитное поле влияет даже в тех областях, где напряжённость электрического поля ${\displaystyle {\bf {E}}}$ и индукция магнитного поля ${\displaystyle {\bf {B}}}$ равны нулю , но не равны нулю скалярный и/или векторный потенциалы электромагнитного поля (то есть если не равен нулю электромагнитный потенциал ).

Самая ранняя форма этого эффекта была предсказана и Сидаем в 1949 году , подобный эффект был позже предсказан вновь Аароновым и Бомом в 1959 году .

Эксперимент

Эффект наблюдается для магнитного поля и электрического поля, но влияние магнитного поля зафиксировать легче, поэтому впервые эффект был зарегистрирован именно для него в 1960 году . Эти экспериментальные данные, однако, подвергались критике, поскольку в проведённых измерениях не удавалось в полной мере создать условия, при которых электрон совсем не проходил бы через области с ненулевой напряжённостью магнитного поля.

Все сомнения в существовании эффекта в экспериментах были сняты после проведения в 1986 году опытов с использованием сверхпроводящих материалов , полностью экранирующих магнитное поле (в смысле экранирования его вектора индукции) .

Интерпретации и трактовки

Сущность эффектов Ааронова — Бома можно переформулировать так, что обычной для классической электродинамики концепции локального воздействия напряжённости электромагнитного поля на частицу недостаточно, чтобы предсказать квантовомеханическое поведение частицы — на самом деле для этого оказалось необходимым, если исходить из напряжённости, знать напряжённость поля во всём пространстве. (Если E или B ненулевые хотя бы в какой-то области пространства, куда заряженная частица не может попасть (квантовая вероятность попасть туда исчезающе мала), тем не менее такое поле может заметно влиять на квантовое поведение такой частицы — то есть на вероятности попадания частицы в разные места той области пространства, которая ей доступна, дифракционная картина, в том числе положение дифракционного максимума и т. п.).

Однако через электромагнитный потенциал теория эффекта строится естественно и локально. ^{[ источник не указан 2908 дней ]}

Эффект Ааронова — Бома можно интерпретировать как доказательство того, что потенциалы электромагнитного поля являются не просто математической абстракцией , полезной для вычисления напряжённостей, а в принципе независимо наблюдаемыми величинами, имеющими таким образом несомненный и прямой физический смысл.

Противопоставление потенциалов и силовых характеристик поля

Стиль этого раздела неэнциклопедичен или нарушает нормы литературного русского языка . Статью следует исправить согласно стилистическим правилам Википедии .

Классическая физика основана на понятии силы, и напряжённость электрического поля E , так же как и вектор магнитной индукции B — по сути «силовые характеристики» электромагнитного поля: их можно использовать для наиболее прямого и непосредственного вычисления силы, действующей на заряженную частицу (в сущности, скажем, E — и есть просто сила, действующая на единичный неподвижный заряд).

В рамках специальной теории относительности эта концепция не претерпела радикальных изменений. Сила из уравнения Ньютона не является 4-вектором , отчего в данной теории расчёты и формулировки с использованием понятия силы несколько теряют первоначальную ньютоновскую простоту и красоту (а поэтому закрадываются некоторые сомнения в их фундаментальности). ( E и B также не являются 4-векторами, однако это не приводит к полной замене представлений об электромагнитном поле, так как для них находится достаточно прямое и красивое 4-мерное обобщение — тензор электромагнитного поля (компоненты E и B оказываются его компонентами), во многом позволяющий записать уравнения электродинамики даже более компактно и красиво, чем E и B по отдельности, при этом оставаясь по смыслу всё той же напряжённостью поля).

В квантовой механике частица представлена как волна (а значит, вообще говоря, не локализована в точке пространства или даже в малой окрестности точки), поэтому принципиально оказывается довольно трудно описать её взаимодействие с чем-либо (например, с электромагнитным полем) в терминах силы (ведь классическое понятие силы или силового поля подразумевает, что воздействие на частицу — которая в классике точечна — происходит тоже в одной точке пространства; а естественно обобщить этот подход на квантовый случай делокализованной частицы оказывается не просто). Поэтому в квантовой механике предпочитают иметь дело с потенциальной энергией и потенциалами.

При формулировке электродинамики, теория в принципе может выбрать за основные величины напряжённости E и B , или потенциалы φ и A . Вместе φ и A образуют 4-вектор ( φ — нулевая компонента, A — три остальные компоненты) — электромагнитный потенциал ( 4-потенциал ). Однако он не является однозначно определённым, поскольку к этому 4-вектору всегда можно добавить некоторую 4-векторную добавку (так называемое калибровочное преобразование ), и при этом поля E и B не изменяются (это одно из проявлений калибровочной инвариантности ). Долгое время физики задавались вопросом, фундаментально ли поле электромагнитного потенциала, даже если оно не может быть определено единственным образом, или его появление в теории — это только удобный формальный математический трюк.

Согласно эффекту Ааронова — Бома, меняя электромагнитный потенциал, можно менять непосредственно измеримые величины — пропуская электрон через области пространства, где поля E и B вообще отсутствуют (имеют нулевые значения), но электромагнитный потенциал отличен от нуля: изменения электромагнитного потенциала меняют непосредственно наблюдаемую картину, хотя E и B не меняются в тех областях пространства, которые доступны частице, и в которых таким образом им можно было бы приписать локальное физическое воздействие на неё. Таким образом, эффект Ааронова — Бома мог быть аргументом в пользу более фундаментального характера потенциалов по сравнению с напряжённостями полей. Однако Вайдман показал, что эффект Ааронова — Бома можно объяснить без использования потенциалов, если дать полную квантово-механическую обработку зарядам источника, которые создают электромагнитное поле. Согласно этой точке зрения, потенциал в квантовой механике столь же физический (или нефизический), как это было классически.

Гравитационный эффект

Общая теория относительности предсказывает существование фазового сдвига Ааронова–Бома, вызываемого гравитационным потенциалом. В 2012 г. была выдвинута идея экспериментального наблюдения гравитационного эффекта Ааронова–Бома и в 2022 году на её основе был проведён эксперимент.

В эксперименте ультрахолодные атомы рубидия запускались вертикально внутрь десятиметровой вакуумной трубы, наверху которой находилась осесимметричная масса, которая изменяла гравитационный потенциал , и затем атомный волновой пакет расщеплялся на две части при помощи лазерного излучения так, чтобы одна часть поднималась выше другой, а затем обе части интерферировали , позволяя экспериментально наблюдать сдвиг фазы. Было обнаружено статистически значимое соответствие между измерениями и предсказаниями теории.

См. также

• Фаза Берри
• Фазовый интеграл
• Вектор Пойнтинга

Примечания

Литература

Научные работы

• Афанасьев, Г. Н. // Физика элементарных частиц и атомного ядра. — 1990. — Т. 21 . — С. 172—250 .
• Bachtold, A., C. Strunk, J. P. Salvetat, J. M. Bonard, L. Forro, T. Nussbaumer and , «Aharonov-Bohm oscillations in carbon nanotubes», Nature 397 , 673 (1999).
• Imry, Y. and R. A. Webb, «Quantum Interference and the Aharonov-Bohm Effect», Scientific American , 260 (4), April 1989.
• Kong, J., L. Kouwenhoven, and C. Dekker, «Quantum change for nanotubes», (July 2004).
• London, F. «On the problem of the molecular theory of superconductivity», Phys. Rev. 74 , 562—573 (1948).
• Murray, M. (недоступная ссылка) , (2002).
• Olariu, S. and I. Iovitzu Popèscu, «The quantum effects of electromagnetic fluxes», Rev. Mod. Phys. 57 , 339—436 (1985).
• , Infinite Potential: The Life and Times of David Bohm (Addison-Wesley: Reading, MA, 1997). ISBN 0-201-40635-7 .
• от 13 марта 2007 на Wayback Machine and Tonomura, A., The Aharonov-Bohm effect (Springer-Verlag: Berlin, 1989). ISBN 3-540-51567-4 .
• Schwarzschild, B. «Currents in Normal-Metal Rings Exhibit Aharonov-Bohm Effect». Phys. Today 39 , 17—20, Jan. 1986.
• Sjöqvist, E. «Locality and topology in the molecular Aharonov-Bohm effect», Phys. Rev. Lett. 89 (21), 210401/1—3 (2002).
• van Oudenaarden, A., M. H. Devoret, Yu. V. Nazarov, and J. E. Mooij, «Magneto-electric Aharonov-Bohm effect in metal rings», Nature 391 , 768—770 (1998).
• Webb R., Washburn S., Umbach C., Laibowitz R. // Phys. Rev. Lett.. — 1985. — Т. 54 . — С. 2696—2699 . — doi : .

Научно-популярные работы

• David Lindley. (англ.) // Phys. Rev. Focus. — 2011. — Vol. 28.
• Herman Batelaan and Akira Tonomura. (англ.) // Physics Today . — 2009. — Vol. 62. — doi : . (недоступная ссылка)
• B. J. Hiley. (англ.) . — 2013. — arXiv : .

Ссылки

• // Научная сеть Nature.web.ru