回答 “世紀之爭” ,這項工作也可以拿諾獎

制圖:王若男
撰文|張?zhí)烊兀ɡ碚撐锢韺W博士、科普作家)
責編|邸利會
一種幽默

圖1 以色列科學家亞基爾·阿哈羅諾夫和英國科學家麥克·貝里 | 圖源:維基百科和physics.ucdavis.edu/

圖2 邁克爾·貝里和他研究的“磁懸浮青蛙” | 圖源:wikiwand.com/en/Ig_Nobel_Prize
“可笑” 的問題
上世紀60年代是量子理論中高能粒子物理及標準模型等蓬勃發(fā)展的時期,阿哈羅諾夫和玻姆,卻沒有追蹤這個熱門浪潮,孤獨地撲在兩個基本物理量(“力” 和 “能量”)的關聯(lián)上,提出了一個意義深刻的思想實驗 [2]。電磁理論中的電標勢φ和磁矢勢A,真的只是數(shù)學工具,沒有 “真實” 物理意義嗎?他們認為,問題最終應該由實驗來回答。
巧妙的實驗設計

圖3 磁AB實驗示意圖
回答 “世紀之爭”
那么,什么時候洗澡水中會有小孩(幾何相位因子)呢?

圖4 矢量平行移動一周后的變化(a)平面(b)球面
取決于幾何

圖5 磁AB效應中通電線圈引起的相位因子Φ
挖了個洞

圖6 單連通和多連通。如果一個區(qū)域中的任何一條閉曲線,都能連續(xù)地收縮到區(qū)域中任何一點,此區(qū)域便被稱為單連通的。以下圖的二維圖形為例,圖a淡藍色圖形中的任何曲線,例如與圖中那條從B出發(fā)、到C、再回到B的類似曲線,都可以連續(xù)地變小而收縮到任何點。這說明那塊淡藍色圖形是 “單連通” 的。但是,如果在這個區(qū)域中挖一個或幾個洞,成為像圖b所示的淡藍色區(qū)域,情況便會有所不同。如果區(qū)域中的某條閉合曲線,有 “洞” 被包圍其中的話,就不可能連續(xù)收縮到一個點了。這種圖形空間便成為“多連通”的,也就是拓撲非平庸的了。
不過,剛才我們經(jīng)常說到的 “空間”,則遠遠不是僅限于我們生活于其中的三維空間了。量子理論中 “空間” 的概念是多樣化的,可以是真實的四維時空,也可以是相空間、晶體的倒格子空間、布里淵區(qū),以及所謂系統(tǒng)的內(nèi)稟空間,包括自旋空間、描述系統(tǒng)哈密頓量的參數(shù)空間、波函數(shù)的希爾伯特空間等等。到底需要考慮哪個空間的幾何拓撲性質(zhì),必須根據(jù)具體問題而具體分析。
[1] Quantized Hall Conductance in a Two-Dimensional Periodic Potential,D. J. Thouless, M.Kohmoto*, M. P. Nightingale, and M. den Nijs,Phys. Rev.Lett. 49, 405–408 (1982)。
[2 Aharonov, Y.; Bohm D. (1959)."Significance of electromagnetic potentials in quantum theory". Phys.Rev. 115: 485-491.
[3] 作者科學網(wǎng)博文《走近量子糾纏》- 楊氏雙縫電子干涉實驗:
http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=677221&do=blog&id=534092
[4] Osakabe, N., T. Matsuda, T. Kawasaki, J.Endo, A. Tonomura, S. Yano, and H. Yamada, "Experimental confirmation ofAharonov-Bohm effect using a toroidal magnetic field confined by asuperconductor." Phys Rev A. 34(2): 815-822 (1986).
[5] Chen-Ning Yang,Einstein's impact on theoretical physics,Physics Today 33, 6,42 (1980)
[6] M. V. Berry (1984). "Quantal PhaseFactors Accompanying Adiabatic Changes". Proc. R. Soc. Lond. A 392 (1802):45–57.
[7]《簡單物理系統(tǒng)的整體性:貝里相位及其他》,李華鐘著,上??茖W技術出版社,1998。