阿哈罗诺夫-玻姆效应
物理学实验
A–B 效应,全名阿哈罗诺夫-玻姆效应,是个物理学实验。它证明即使在磁场为零的区域,仍旧会存在磁效应,然而,这并不能用来测量磁矢势,因为只有磁通量会出现在表达效应的公式里,而且整个理论始终维持规范不变性。阿哈罗诺夫-玻姆效应是量子力学电动力学发展史上的重要实验,说明了量子力学的非局域性质。
简介
A–B 效应,全名阿哈罗诺夫-玻姆效应,是个物理学实验。它证明即使在磁场为零的区域,仍旧会存在磁效应,然而,这并不能用来测量磁矢势,因为只有磁通量会出现在表达效应的公式里,而且整个理论始终维持规范不变性。阿哈罗诺夫-玻姆效应是量子力学电动力学发展史上的重要实验,说明了量子力学的非局域性质。
“A–B”这个名称取自在1959年设计这个实验的两位理论物理家亚基尔·阿哈罗诺夫(YakirAharonov)和戴维·博姆(DavidBohm)姓名的首字,前者因这个实验而得到1998年沃尔夫物理学奖。巧合的是,物理学家也用A表示磁矢势,B表示磁场,赋予A–B 效应这个名字更加深刻的涵义。
磁场阿哈罗诺夫-玻姆效应
量子力学理论内,对在磁场里运动做以下处理:动量算符加入矢势项
和粒子波函数在从时间t到期间两点间运动的波幅多得到一个复数相:
其中是任意从到的路径。
因此粒子如果透过某连接两点的路径1从一点运动到另外一点,相比磁场强度为零的差别是多出的波函数复相:
如果有另外连接同样两点的路径2,那波函数将得到不同的复相。两路径得到相位之差为:
其中为两路径围起面积的磁通量
虽然波函数相位在量子理论里不是可测量物理量,但是相位差可以透过干涉实验来测量。因此此矢势引起的相位差可以透过在电子双缝实验的双缝后加入磁场观察。虽然电子的路径经过的地方磁场强度为零,但是有大于零的矢势强度。因此电子在萤幕上的干涉图样得到比没有磁场的时候平移。
实际的实验由日立公司的科学家率先完成。
规范场论
规范场论(Gauge Theory)是基于对称变换可以局部也可以全局地施行这一思想的一类物理理论。非交换对称群(又称非阿贝尔群)的规范场论最常见的例子为杨-米尔斯理论。物理系统往往用在某种变换下不变拉格朗日量表述,当变换在每一时空同时施行,它们有全局对称性。规范场论推广了这一思想,它要求拉格朗日量必须也有局部对称性—应该可以在时空的特定区域施行这些对称变换而不影响到另外一个区域。这个要求是广义相对论等效原理的一个推广。
规范“对称性”反映了系统表述的一个冗余性。
规范场论在物理学上的重要性,在于其成功为量子电动力学弱相互作用强相互作用提供了一个统一的数学形式化架构——标准模型。这套理论精确地表述了自然界的三种基本力实验预测,它是一个规范群为SU(3) × SU(2) × U(1)的规范场论。像弦论这样的现代理论,以及广义相对论的一些表述,都是某种意义上的规范场论。
检测
美国斯坦福大学研究团队检测了引力的阿哈罗诺夫—玻姆效应。
该团队将原子分成两组,每组相距约25厘米,其中一组与大质量物质发生引力相互作用。当重新组合时,原子显示出与引力的阿哈罗诺夫—玻姆效应一致的干涉。该效应可用于以非常高的精度确定牛顿的万有引力常数。
影响
2022年12月,检测引力的阿哈罗诺夫—玻姆效应入选英国《物理世界》杂志公布的2022年度十大突破。
参考资料
最新修订时间:2022-12-13 13:10
目录
概述
简介
磁场阿哈罗诺夫-玻姆效应
参考资料