半个世纪前的简单实验,改变了人们对量子效应的认知

作者: 董唯元

来源: 返朴

发布日期: 2024-08-28 08:50:58

AB效应的实验验证证明了电磁矢势A是客观物理对象,能够影响电子的量子相位,并引发了对量子效应的深刻认识和应用。该效应不仅改变了人们对电磁场的理解,还与几何相位理论密切相关,推动了现代物理学的发展。

在电磁学的发展中,矢势曾被认为是仅为数学方便而引入的矢量。直到1959年,Yakir Aharonov和David Bohm提出可以用实验的方法验证,在没有外部磁场的情况下,电子波函数的相位可以受到电磁势的影响,即AB效应。这意味着矢势是一种物理实在。最终实验得以证明,也彻底改变了人们对于这一量子效应的认识,相关应用得以长足发展。而这一效应背后反映了更深刻的物理与数学。

在20世纪众多伟大的物理学发现中,AB效应(Aharonov–Bohm effect)的验证具有里程碑意义。简单来说,这是一种量子效应,指电磁矢势可以改变电子的量子相位。尽管早期其他物理学家对其也有提及,但直到物理学家Yakir Aharonov和他的博士导师David Bohm在1959年再次独立提出,并于次年实验证实,这一效应才得到大家的关注和重视。

对物理学家来说,证实这一效应的意义有点像考古学家挖到了孙悟空的墓,它使一个大家原以为是人为构造的虚幻对象,在客观世界中彰显出了真实存在的迹象。AB效应则是实打实地表现了电磁理论中“矢量势”这个抽象对象的真实“遗骸”——双缝干涉条纹的漂移。这个效应引发了后续一系列深刻且重要的认知升级,并以出人意料的方式联系着许多理论领域。

在介绍AB效应具体内容之前,让我们先稍微储备一些相关基本概念。

中学物理课本里,电磁场用E和B这两个矢量场来描述,E是电场强度,B是磁感应强度。这是沿承着法拉第场线观念,对电磁场最朴素直接的刻画。另外,在描述静电场时,还可以使用电势(也称电位)φ这个标量场,代替E进行完全等价的刻画。E和φ的关系,用稍微超出高中知识的数学语言来讲,就是E=-∇φ。这里的符号“∇”是对空间求导的意思,“∇φ”叫作φ的梯度。

如果把φ比喻成空间各处的温度,那么E的方向就是躲避高温寻求凉爽的最佳出逃方向,而E的大小则由出逃方向上的温差决定。

用E或φ两种方式所描述的静电场是完全等价的,鉴于φ是标量,E是矢量,显然用φ来进行推演和计算要方便很多。使用φ还有其他的好处,比如用φ描述的静电场天然保证场线不会绕成闭合环路,而在用E描述时,这一点则属于需要额外单独列出来的限制条件。

如此看来,似乎φ比E更基本,抽象程度也更高——E是由φ导致的结果。不过,在空间中摆放好一些电荷之后,空间每点处E的取值就完全确定了,可是φ的取值却并不确定。事实上,如果把所有点的φ值都同时加上个相同的值,那么整个空间中φ的分布起伏完全没有变化,就像把一座山整体抬升,完全不影响山峦形状一样。

那么到底该如何看待电势φ这个量?它究竟是比电场强度E更基本的客观物理量,还是仅具有计算意义的数学抽象?当然不管怎么判断,我们此刻至少知道了φ值的选取有相当大的自由。或者说空间某点处的φ值本身是多少根本不重要,真正重要的只是任意两点之间φ值之差,也就是电势差。这个电势差还有个我们耳熟能详的名字——电压。

高中物理只介绍了静电场的两种等价描述,没有将这种方式延伸到磁场。

大学的电磁学课本里,还会再出现一个类似电势φ的物理量,叫作矢量势或矢势,用字母A表示。如同φ和E能等价地描述静电场一样,矢势A和磁场强度B能等价地描述磁场。与φ略有不同的是,A是一个矢量场,由A得出B的方式也不是求梯度,而是求旋度,B=∇×A。

这个符号与叉乘的含义解释起来,倒也不难:其实就是把A视为一大锅水,如果某处存在漩涡,那么漩涡中心被裹挟着原地自转的那些水分子,沿自转轴方向排列成的线,就是该处的磁场B的场线。

如果盛水的锅足够大,在无穷远的边界处所有水都是静止的,漩涡都被限制在有限的空间里折腾,那么可以想象,这些漩涡所对应的磁场线必然全都是闭合线。

这就显示出用矢势A描述磁场的一个好处,它不需要额外补充声明,天然就能保证所有磁场线都闭合这一事实。磁场线如果出现断头的端点,这个端点在物理意义上就是一个磁单极子。每根磁场线都闭合这件事,其实就意味着世界上不存在磁单极子。而借助矢势A来理解,不仅一切变得顺理成章,我们还能更深刻地意识到,磁单极子的出现竟然会破坏宇宙的全局对称性,使宇宙这一大锅水整体上出现了漩涡。

在有些文献中A也被称为磁势,但使用这个名字的人并不太多。因为在动态的电磁场中,变化着的A会对电场强度E也产生贡献。事实上变化着的电磁场中,E和B已然是个不可分割的统一体,自然相对应的φ和A也没必要非得分开看待。在略微深入些的物理课本中,φ的名字也不再被称为电势,更多的时候是被称为标量势,它与3维矢势A可以被捏合成一个4维时空中的矢量势Aμ,其中φ是时间方向分量,A是空间方向分量。

接触过狭义相对论的读者肯定还记得,能量和3维动量可以捏合成4维动量,而此处Aμ的捏合方式,跟4维动量是一模一样的。在4维时空的语境下,这个4维矢势Aμ又与E和B捏合成的法拉第张量Fμν,构成一对等价描述形式。

前面已经提到,在用φ刻画静电场时,可以相当任性地为φ取值。而所谓“规范”,大致含义就是φ取的某个具体的值。这种特点在矢势A身上也有体现,而且还更加任性。我们可以在某个A上再随意叠加个矢量场,因为A中的漩涡才对应着磁场B,如果叠加的矢量场中没有漩涡,那么叠加前后两个不同的矢势A和A',所描述的磁场B却完全相同。至于可随意增删的那部分矢量场,不仅姿态样貌任选,还可以不断变化,只要不出现新的漩涡即可。

AB效应被提出之前,物理学家们已经认识到φ和A所代表的规范对称性。但是大多数物理学家仍然认为它们本身不会造成任何可观测的现象,所以无关乎真实世界的客观状态,纯粹只是数学上的奇技淫巧。因此这种对称性也只是人为构造的虚幻之物,自然没什么兴趣挖掘。AB效应的实验验证彻底改变了这一观念。

实验的具体内容其实非常简单,就是在双缝干涉实验装置中增加了一个螺线管,当螺线管中有电流通过时,接收屏上的干涉条纹会发生一定距离的偏移。我们知道通电螺线管能产生磁场,由于螺线管的约束作用,磁场B只分布在螺线管内部,而在螺线管之外B=0。但是,螺线管外的矢势A却不为零。

根据磁场B与矢势A在数学上的关系,B=∇×A,这个关系的积分形式是说,空间中任意一个闭合环路上A的积分,就等于这个环路所圈起来的面上的总磁通量。既然中间存在非零的磁通量,那么外围任意闭合环路上的A就不可能处处为零。

我们可以把A场中的每点想象成一名舞蹈演员,实验设定下螺线管内,所有演员都在原地自转,外围的演员则是在绕着螺线管转圈。而运动电荷在磁场中会受力这件事,可以想象成电荷都是有特别偏爱的小伙,只对原地自转的姑娘着迷,遇到自转的舞蹈演员就会偏转前进的方向,而对那些没有自转的演员就完全无感,仍然保持原来的方向行走。

螺线管所摆放的位置,恰好使通过双缝的电子途径B=0且A≠0的区域到达接收屏。

按说电子在经过这些区域的时候,行走方向不会发生变化,然而接受屏上的干涉条纹居然发生了移动。由此可见,造成干涉条纹变动的原因肯定不是磁场B,必然是矢势A。这即是AB效应。AB效应的意义首先就是证明了矢势A确实是客观物理对象,即使在不产生磁场的时候,也能彰显出它对这个世界的影响,产生可观测物理现象。

其次,这一效应暗示,当电子路过电磁场时,E和B所能影响的只是电子呆板木讷的外在行为表现,φ和A才更能触及电子闷骚躁动的内心世界。

AB效应与几何相位的关系也值得关注。几何相位的概念是指,量子态在空间中绕闭合路线旅行一周回到出发点时,如果空间的拓扑结构比较特殊,那么在量子相位中就会显现出相应的变化。AB效应中电子分别经过两条路径最终到达同一点,在此处的相位体现出了两条路径所包围的空间中的电磁场。

几何相位的提出,使我们拥有了一个新的视角重新解读AB效应:由于电磁场的存在,电子眼中的空间发生了某种拓扑结构的变化,于是就产生了相位差。

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