Παρεξενιές της κβαντομηχανικής: Το πεδίο που δεν υπάρχει

Μία κβαντομηχανική παραξενιά που θεωρείται ότι είναι από τις λιγότερο γνωστές στον κόσμο, το φαινόμενο Aharonov-Bohm, ίσως έχει μεγάλη σημασία για να βρεθεί μια επιστημονική εξήγηση για το πώς λειτουργεί η ραδιονική δηλαδή η γνωστή μας ραβδοσκοπία!

Στο φαινόμενο Aharonov-Bohm, όπως είναι γνωστό, ένα ηλεκτρικά φορτισμένο σωματίδιο εμφανίζει μια μετρήσιμη αλληλεπίδραση με ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο παρά το γεγονός ότι αυτό περιορίζεται σε μια περιοχή στην οποία τόσο το μαγνητικό πεδίο Β όσο και το ηλεκτρικό πεδίο Ε είναι μηδενικά.

Έχουμε λοιπόν ένα πολύ παράξενο φαινόμενο της κβαντομηχανικής, μία κβαντική παραξενιά!

Πάρτε λοιπόν ένα μαγνήτη που μοιάζει με ντόνατ και τυλίξτε μια μεταλλική ασπίδα γύρω από το εσωτερικό του άκρο, έτσι ώστε να μην μπορεί να διαρρεύσει κανένα μαγνητικό πεδίο μέσα από την  τρύπα. Στη συνέχεια στείλτε ένα ηλεκτρόνιο μέσα από την τρύπα. Αφού δεν υπάρχει κανένα πεδίο στην τρύπα, θα ήταν λογικό να θεωρούμε ότι το ηλεκτρόνιο θα δράσει σαν να μην υπάρχει πεδίο γύρω του, έτσι δεν είναι λογικό; Να όμως που κάνουμε λάθος.

Το κύμα το συνδεδεμένο με την κίνηση του ηλεκτρονίου αντιλαμβάνεται ένα ξαφνικό εμπόδιο σαν να υπήρχε κάτι σε εκείνο το σημείο. Οι Werner Ehrenberg και Raymond Siday ήταν οι πρώτοι που παρατήρησαν πως αυτή η συμπεριφορά κρύβεται στην εξίσωση Schrodinger (δείτε  το κβαντικό φαινόμενο Άμλετ).

Το φαινόμενο το περιέγραψαν οι πιο πάνω φυσικοί για πρώτη φορά το 1949, αλλά το αποτέλεσμά τους παρέμεινε στην αφάνεια.  Δέκα χρόνια αργότερα οι Yakir Aharonov και David Bohm, που εργάζονταν τότε στο Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ, ανακάλυψαν εκ νέου το φαινόμενο.

Τι συμβαίνει λοιπόν; Το φαινόμενο Aharonov-Bohm είναι απόδειξη ότι υπάρχει κάτι περισσότερο στα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία απ ότι γενικά θεωρούμε. Δεν μπορούμε να υπολογίσουμε το μέγεθος της επίδρασης πάνω σε ένα σωματίδιο εξετάζοντας μόνο τις ιδιότητες των ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων, όπου βρίσκεται το σωματίδιο. Θα πρέπει επίσης να λάβουμε  υπόψη μας  και τις ιδιότητες μέσα στις οποίες αυτό δεν εμφανίζεται.

Ψάχνοντας για μια εξήγηση, οι φυσικοί αποφάσισαν να ρίξουν μια ματιά σε μια ιδιότητα  του μαγνητικού πεδίου, γνωστή ως διανυσματικό δυναμικό. Για μεγάλο χρονικό διάστημα, τα διανυσματικά δυναμικά θεωρήθηκαν απλώς πρακτικά μαθηματικά εργαλεία – κάποιες ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες που δεν έχουν κανένα πραγματικό αντίκρισμα στον πραγματικό κόσμο Όπως όμως αποδεικνύεται, τα διανυσματικά δυναμικά περιγράφουν κάτι που είναι στην πράξη πολύ πραγματικό.

Ο νομπελίστας Yakir Aharonov

Το φαινόμενο Aharonov-Bohm έδειξε ότι το διανυσματικό δυναμικό κάνει ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο να είναι κάτι περισσότερο από το άθροισμα των μερών του. Ακόμα και όταν δεν υπάρχει πεδίο, το διανυσματικό δυναμικό εξακολουθεί να ασκεί μια επίδραση στο περιβάλλον του.

Αυτή η επίδραση παρατηρήθηκε αναμφίβολα για πρώτη φορά το 1986, όταν ο Akira Tonomura και οι συνεργάτες του στα εργαστήρια της Hitachi, μέτρησαν ένα “στοιχειωμένο ηλεκτρικό τράνταγμα”. Αν και απέχει πολύ από τα καθημερινά φαινόμενο, το φαινόμενο Aharonov-Bohm μπορεί να αποδειχθεί ότι έχει χρήσεις και στον πραγματικό κόσμο – σε μαγνητικούς αισθητήρες, για παράδειγμα, ή σε πυκνωτές ευαίσθητους σε πεδία  ή και σε buffer αποθήκευσης δεδομένων για υπολογιστές.

David Joseph Bohm (1917-1992)

Πηγή με δικές μου προσθήκες - αλλαγές : Physics 4u