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物理学家发现电动力学的隐藏面(修改稿) 精选

已有 6204 次阅读 2017-4-13 17:46 |个人分类:新科技|系统分类:论文交流|关键词:电磁对称性,电动力学,路易斯安那州立大学,伊凡·阿格洛(Ivan,Agullo)| 电动力学, 电磁对称性, 路易斯安那州立大学, 伊凡·阿格洛(Ivan, Agullo)

物理学家发现电动力学的隐藏面(修改稿)

诸平

据物理学家组织网(Phys.org2017411报道,美国路易斯安那州立大学Louisiana State University简称LSU)和西班牙瓦伦西亚大学(Universidad de Valencia)的研究人员合作,发现了电动力学的隐藏面(Physicists discover hidden aspects of electrodynamics)。下图是LSU提供的该大学物理与天文学系助理教授伊凡·阿格洛(Ivan Agullo)的照片及其对于经典电磁理论研究的新进展。


LSU Department of Physics & Astronomy Assistant Professor Ivan Agullo's new research advances knowledge of a classical theory of electromagnetism. Credit: LSU

无线电波、微波以及甚至光本身都是由电场和磁场构成的。经典电磁理论是在19世纪60年代由詹姆斯·克拉克·麦克斯韦James Clerk Maxwell完成。当时,麦克斯韦理论是革命性的,对于理解电磁光提供了一个统一的框架。19世纪下半叶,麦克斯韦总结了宏观电磁现象的规律,并引进位移电流的概念。这个概念的核心思想是:变化着的电场能产生磁场;变化着的磁场也能产生电场。在此基础上他提出了一组偏微分方程来表达电磁现象的基本规律。这套方程称为麦克斯韦方程组,是经典电磁学的基本方程。麦克斯韦的电磁理论预言了电磁波的存在,其传播速度等于光速,这一预言后来为赫兹的实验所证实。于是人们认识到麦克斯韦的电磁理论正确地反映了宏观电磁现象的规律,肯定了光也是一种电磁波。

经典电磁学或经典电动力学是理论物理学的一个分支,通常被认为包含在广义的电磁学中。它以麦克斯韦方程组和洛伦兹力为基础,主要研究电荷和电流的电磁场及它们彼此的电磁相互作用。当相关尺度和场强足够大以至于量子效应可忽略时(参见量子电动力学),这一套理论能够对电磁现象提供一个非常漂亮的描述。经典电磁理论主要发展于19世纪,以詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的成就达到顶峰。

现在,由路易斯安那州立大学LSU物理和天文学系伊凡·阿格洛助理教授领导和西班牙德瓦伦西亚大学研究人员合作完成新研究在经典电磁理论的基础上更进一步。他们发现于2017315已经在《物理评论快报》Physical Review Letters杂志网站发表——Ivan Agullo, Adrian del Rio, Jose Navarro-Salas.  Electromagnetic Duality Anomaly in Curved Spacetimes. Physical Review Letters, 2017, 118: 111301 – Published 15 March 2017. DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.111301.

麦克斯韦理论显示显著特征:当电荷和电流不存在时,它仍然是一成不变的保持电场与磁场互变,对称性(symmetry被称为电磁对偶性。

然而,尽管电荷electric charges存在,但是在自然界从未观察到磁荷magnetic charges。如果不存在磁荷,对称性也就荡然无存。为了解开此成为促使物理学家搜索磁荷或磁单极子magnetic charges, or magnetic monopoles研究的动力源泉。然而,迄今为止有关磁荷或磁单极子的搜索一直尚未有人获得成功。不过伊凡·阿格洛和他的同事们可能已经发现了为什么尚未获得成功的原因。伊凡·阿格洛说:无论磁单极子存在与否重力都会损坏对称性。种结论是令人震惊的。最重要的就是在宇宙的基层不可能存在对称性,因为在宇宙的基层重力无处不在重力和量子效应一起扰乱了电磁对偶性electric-magnetic duality或电磁场的对称伊凡·阿格洛和他的同事们通过考虑先前理论发现这种现象,先前理论解释了宇宙中其它类型粒子如费米子fermions)中的这种现象再将其电磁场中的光子。

伊凡·阿格洛说:我们已经能够非常类似于费米子理论的方式写电磁场理论,通过运用为费米子研究而开发的强有力技术来证明缺乏对称性新发现可能会对某些假设构成挑战,可能会影响其它研究包括对于宇宙诞生的研究

宇宙大爆炸The Big Bang

卫星收集了来自大爆炸而释放出的辐射数据,将其称为宇宙微波背景Cosmic Microwave Background缩写为CMB。这种辐射包含关于宇宙历史的有价值的信息。宇宙微波背景辐射是在宇宙大爆炸10万年发出,经过140亿光年才到达地球。伊凡·阿格洛说:我们通过测量宇宙微波背景辐射,可以得到宇宙大爆炸究竟怎样发生的精确信息。

分析这些数据的科学家们认为,在宇宙微波背景辐射的光子极化并未受到宇宙中重力场的影响,唯有电磁对称性的存在这才是真的。然而,由于这一新发现表明,对称在基本层面上不存在的,宇宙微波背景辐射的极化可以改变而且是贯穿于整个宇宙进化过程。科学家们在分析数据时可能需要考虑到这一点。伊凡·阿格洛目前的研究焦点就是要确定新效应究竟所占多少

更多信息请注意浏览原文


ABSTRACT

The source-free Maxwell action is invariant under electric-magnetic duality rotations in arbitrary spacetimes. This leads to a conserved classical Noether charge. We show that this conservation law is broken at the quantum level in the presence of a background classical gravitational field with a nontrivial Chern-Pontryagin invariant, in parallel with the chiral anomaly for massless Dirac fermions. Among the physical consequences, the net polarization of the quantum electromagnetic field is not conserved.

相关报道:物理学家发现电动力学被隐藏的一面

hhttp://www.360doc.com/content/17/0412/21/1339386_645131478.shtml

闫同民:让物理学家着迷的两张图现代物理知识2017, 29(1): 35-38.

科学研究就是寻求发现和了解客观世界的新现象,研究和掌握新规律,总是在不断地追求真理,是人类现代文明的重要组成部分。然而,物理学家们自己却大都不愿意把本身从事的工作完全归于社会责任感的驱使。他们宁愿把自己当成一个充满好奇心的孩子,愿意问一些诸如宇宙从何而来和物质的最小单位是什么——这样我们一般人通常只是耸耸肩的问题。他们却要试图找到答案!于是“他们进入了夜幕笼罩着的森林,探寻着自然的基本设计,并且狂妄不羁地宣称,已经发现了一些蛛丝马迹”(徐一鸿《可怕的对称》)。他们工作的热忱是来源于科学理论的优雅、严谨和完美(可能对于一个完美无瑕的艺术的作品也是这样)。遗憾的是,与图画、话剧或小说中遇到的艺术形象相比,我们对物理图像还不太习惯。但是对于很有鉴赏力的人来说,它的魅力并不差。本文试图通过两张图来帮助那些虽然爱好科学,但还没有跨入物理学家这一特殊职业的人窥视物理世界一角,同物理学家们一起分享一下科学研究的快乐与烦恼。你要知道这两张图究竟是什么,为什么会让物理学家着迷,那你就应该看看闫同民老师的全文(让物理学家们着迷的两张图.pdf



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