计算导体穿过磁场的感应电动势是高中物理教科书中常见的问题。然而,为什么可以通过使用“法拉第电磁感应定律”或“洛伦兹力”这一经典电磁学中完全独立的物理定律来推导出这种感应电动势,目前尚不清楚。
筑波大学副教授 Hiroyasu Koizumi 说,他利用量子力学和测量势来解开这场奇怪比赛的神秘面纱。
在量子力学中,电子的运动用波函数表示,电磁场中的基本物理量是规范电位而不是电场或磁场。小泉副教授将此应用于感应电动势的计算,用波函数描述电子的运动,同时用电磁场作为规范场,用规范电位代替电场和磁场。此时,当量规的自由度在能量最小的条件下固定时,代表移动导线中电子量子态的波函数的相位因子被洛伦兹力沿方向平移。另一方面,人们发现它可以看作是产生电场的随时间变化的规范电位。
也就是说,前一种观点对应于使用洛伦兹力的方法,后者对应于使用法拉第电磁感应定律的方法,并且在经典电磁学中看到的两种本质不同的方法之间奇怪的一致是发现结果是连通的通过代表电子量子态的波函数的相位因子的对偶性。
这一结果不仅为被认为是巧合的一致性提供了理论上的答案,而且还通过将相位因子对偶性的思想应用于超导状态的波函数,即超导量子比特。据说它还有助于使用量子计算机的发展。