Wiek 8–12 · około 6 minut
Pole, które chowa się za polami
Jak elektron może poczuć magnes, do którego nigdy się nie zbliża?
Najpierw to zrób · Spróbuj tego w domu
Dwa rodzaje fal w jedno popołudnie
Zacznij od rąk. Potem czytanie będzie o wiele jaśniejsze.
Potrzebujesz: Długa skakanka albo sznurowadło, drewniany stół i kolega
Wykonane kroki: 0 z 3
Na co mam zwrócić uwagę?
Zwróć uwagę: Fala na sznurze macha w poprzek kierunku, w którym biegnie. Tak działa światło. Stuknięcie, które słyszysz, podróżuje przez ściskanie drewna wzdłuż kierunku ruchu. To jest fala podłużna i tak właśnie działa dźwięk. Obie są prawdziwe i zachowują się zupełnie inaczej.
Czytaj dalej, żeby dowiedzieć się, dlaczego tak jest.
Wielka idea
Coś niewidzialnego może cię zmienić nawet tam, gdzie nic cię nie popycha.
- potencjał
- Ukryta gotowość w przestrzeni. Potrafi zmieniać rzeczy, wcale ich nie popychając.
- faza
- Miejsce, do którego fala doszła w swoim ruchu w górę i w dół, jak krok w tańcu.
- fala podłużna
- Fala, która ściska ośrodek wzdłuż kierunku, w którym biegnie, tak jak robi to dźwięk.
Jak elektron może poczuć magnes, do którego nigdy się nie zbliża?
Wyobraź sobie dwoje rowerzystów na obwodnicy wokół wiatraka. Jedno jedzie zgodnie ze wskazówkami zegara, drugie w przeciwną stronę. Wokół wiatraka krąży delikatny wir powietrza. Na samej drodze nie wieje zupełnie nic.
A jednak kiedy oboje znów się spotykają, nie są już w tym samym takcie. Jedno miało wir za plecami przez całą drogę. To naprawdę się zdarza i zdarza się elektronom.
Co wiemy na pewno
Zacznijmy od sprytnej, starej matematyki. W 1904 roku matematyk E. T. Whittaker pokazał coś zgrabnego. Całe pole elektryczne i magnetyczne da się odtworzyć z dwóch prostszych rzeczy zwanych potencjałami.
Potencjały wydają się mniej prawdziwe niż pola. Pole cię popycha. Potencjał po prostu sobie jest, gotowy. Dlatego przez lata traktowano je jak zwykłą buchalterię.
Aż w 1959 roku dwóch fizyków zaproponowało piękny test. Nazywali się Yakir Aharonov i David Bohm. Zawiń magnes tak, żeby na zewnątrz pole magnetyczne było dokładnie zerowe. A teraz puść elektrony dookoła, dwiema różnymi drogami.
Nic tych elektronów nie popycha. Nie powinny niczego zauważyć. A jednak zauważają. Wracają z przesuniętymi falami, dokładnie tak, jak przewidziano.
W 1986 roku zespół pod kierunkiem Akiry Tonomury zmierzył to bardzo pięknie. Dziś to rozstrzygnięta, podręcznikowa fizyka. Potencjał potrafi zmienić materię tam, gdzie nie działa żadna siła.
Potraktuj diagram poniżej jako model, a nie obraz cewki z ogrodu. Małe kółko zawiera uwięziony strumień magnetyczny. Przesuń sterowanie strumieniem i obserwuj, jak przesuwa się wzór na detektorze. Obie drogi elektronów pozostają bez pola.
Interferometr z wyłączonym polem
Rozdziel wiązkę elektronów, poprowadź obie połówki po dwóch stronach całkowicie zamkniętego i całkowicie ekranowanego strumienia magnetycznego, a potem złóż je z powrotem. Na samych torach pole magnetyczne jest dokładnie zerowe — zacieniowany korytarz poniżej jest wolny od pola na całej długości. Potencjał wektorowy nie jest tam zerowy, a prążki się przesuwają. Pokręć zamkniętym strumieniem i patrz, jak obraz przesuwa się w bok dokładnie o jeden prążek na każdy kwant strumienia. Spróbuj potem drugiego pokrętła. Zmienia ono cechowanie — sam potencjał, w każdym punkcie obu torów, co pokazują strzałki — a prążki nie przesuwają się ani trochę. Oba pokrętła działają; tylko jedno zmienia cokolwiek, co detektor może zobaczyć.
- Tor górny
- Tor dolny
- Strumień zamknięty
- Potencjał wektorowy na torach
Co się dzieje: Strumień objęty jest bliski całkowitej liczbie kwantów, więc obraz jest blisko położenia początkowego. Dodanie pełnego kwantu odtwarza ten sam obraz.
- Pole magnetyczne na torach elektronów
- zerowe, przy każdym ustawieniu
- Potencjał wektorowy na torze górnym, w tym cechowaniu
- 0,00 nWb/m
- Potencjał wektorowy na torze dolnym, w tym cechowaniu
- 0,00 nWb/m
- Faza, którą cechowanie dodaje każdej połówce
- 0,00 radianów — taka sama dla obu połówek, więc się znosi
- Różnica faz między obiema połówkami
- 0,00 radianów
- Przesunięcie prążków
- 0,00 szerokości prążka
- Czego nie zmieni żaden wybór cechowania
- pola na torach, różnicy faz, przesunięcia prążków
Strumień objęty steruje fazą względną. Zmiana cechowania zmienia potencjał przypisany każdemu punktowi, nie obserwowalną różnicę faz ani obraz prążków. Ten przyrząd oblicza fazę i interferencję, nie zmagazynowaną energię ani moc wyjściową.
To, że nic się nie dzieje, jest tutaj wynikiem, a nie zepsutym pokrętłem. Potencjał nie jest jednoznaczny: dla dowolnej gładkiej funkcji χ wolno zastąpić A przez A + ∇χ, co zmienia potencjał w każdym punkcie i nigdzie nie zmienia pola magnetycznego, bo rotacja gradientu jest zerowa. Ten przyrząd naprawdę wykonuje to podstawienie, a potem całkuje pełny potencjał, wraz z członem cechowania, po zamkniętej pętli, którą obie połówki wiązki tworzą między sobą. Każda połówka faktycznie nabiera fazy od członu cechowania — dokładnie 2λ radianów w tej rodzinie — i obie nabierają tej samej, więc znosi się ona w różnicy. Zostaje całka po pętli, czyli strumień objęty, i to właśnie jest wielkość obserwowalna.
Doświadczenie Tonomury z 1986 roku odpowiedziało na oczywisty zarzut samą konstrukcją: strumień zamknięto w magnesie toroidalnym owiniętym ekranem nadprzewodzącym, więc pole rozproszone nie było jedynie małe na fali elektronowej — było z niej wykluczone. Przesunięcie nadal tam było i nadal wynosiło jeden prążek na kwant strumienia.
Idealny schemat dwóch torów porównujący stałe wartości strumienia, nie dokładne odtworzenie aparatury ani symulacja strumienia zmieniającego się w czasie. Rzeczywiście zmieniający się strumień magnetyczny może indukować pole elektryczne. Energia wiązki, długość torów, rozmiar magnesu i bezwzględne natężenie nie są modelowane. Φ₀ = h/e ≈ 4.136e-15 Wb.
Arkusz źródłowy: Tonomura i in. 1986, Evidence for Aharonov–Bohm effect with magnetic field completely shielded from electron wave
Co naukowcy sprawdzają właśnie teraz
Teraz granica. Fale świetlne machają na boki, w poprzek kierunku, w którym biegną. Dźwięk zamiast tego ściska ośrodek wzdłuż swojego kierunku. Dźwięk jest falą podłużną.
Czy fala elektryczna może być podłużna? W trzech miejscach jak najbardziej tak. Tuż obok anteny. Wewnątrz plazmy. I wzdłuż powierzchni gruntu albo morza. Inżynierowie pracują ze wszystkimi trzema.
Otwarte pytanie dotyczy pustej przestrzeni. Czy podłużna fala elektryczna mogłaby przejść przez próżnię i nieść energię? Niektórzy wynalazcy mówią, że tak, i istnieją patenty opisujące takie maszyny.
Test jest tani i jasny. Załóż miernik na każdy przewód wchodzący do maszyny. A potem zmierz wszystko, co z niej wychodzi. Jeśli wychodzi więcej, niż weszło, to jest to ogromna nowina.
Nikt jeszcze nie opublikował takiego pomiaru. Naukowcy sprawdzają ten pomysł, a ta strona poda odpowiedź, kiedy tylko się pojawi.
Dlaczego to ważne
Pomyśl, co daje ci potencjał. To sposób na zmienianie czegoś bez popychania.
To zupełnie inny rodzaj sterowania. Nadprzewodniki już z niego korzystają, a następna lekcja pokaże go przy pracy.
Twoja kolej
Skoro nic nie popchnęło elektronów, to co je właściwie zmieniło? I jak odróżniłbyś prawdziwy nowy efekt od przewodu, o którym zapomniałeś?
Nikt jeszcze nie zamknął tego pytania. Test na stole jest na tyle mały, że zmieściłby się w szkolnej pracowni. Może przeprowadzisz go właśnie ty.