Domanda:
Qual è il flusso magnetico attraverso un nodo trifoglio?
hyportnex
2020-08-01 00:06:26 UTC
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Immagina un anello chiuso a forma di nodo trifoglio ( https://en.wikipedia.org/wiki/Trefoil_knot). Come si calcola il flusso attraverso questo ciclo? Normalmente definiamo una superficie liscia arbitraria, ad esempio $ \ mathcal {S} $ il cui confine $ \ partial {\ mathcal { S}} $ è il ciclo dato e calcola il flusso usando la sua definizione integrale come $$ \ Phi_B = \ int _ {{\ mathcal {S}}} \ mathbf {B} \ cdot d \ mathbf {S} \ tag {1} \ label {1} ​​$ $ È chiaro come usare $ \ eqref {1} $ quando il loop è un loop semplice e la superficie è anche un semplice , ma come si può stendere una superficie su un trifoglio ed è pur vero che per tali superfici il flusso è sempre lo stesso perché $ \ nabla \ cdot \ mathbf {B} = 0 $ , in altre parole come vale il teorema di Gauss per superfici il cui bordo è un trifoglio?

In alternativa, si potrebbe introdurre il potenziale vettoriale $ \ mathbf {B} = \ nabla \ times \ mathbf {A} $ e utilizzando il teorema di Stokes derivare dal definizione di flusso $ \ eqref {1} $ che $$ \ Phi_A = \ int _ {{\ mathcal {S}}} \ nabla \ times \ mathbf {A} \ cdot d \ mathbf {S} \\ = \ oint _ {\ partial \ mathbf {S}} \ mathbf {A} \ cdot d \ ell \ tag {2} \ label {2} $$ Quindi, ogni volta che possiamo usare il teorema di Stokes abbiamo anche $ \ Phi_A = \ Phi_B $ . Come regge il teorema di Stokes se il ciclo è un trifoglio?

Se in effetti l'applicazione del teorema di Gauss o di Stokes ha un problema, allora il fatto che l'integrale di linea tramite $ \ eqref {2} $ può essere sempre usato per definire il flusso $ \ Phi_A $ significa che almeno in questo senso $ \ mathbf {A} $ è più fondamentale di $ \ mathbf {B} $ ?

* $ \ mathbf {A} $ è più fondamentale di $ \ mathbf {B} $? * Questa è un'interpretazione dell '[effetto Aharanov-Bohm] (https://en.wikipedia.org/wiki/Aharonov–Bohm_effect).Wikipedia dice "L'effetto Aharonov – Bohm mostra che i campi $ \ mathbf {E} $ e $ \ mathbf {B} $ locali non contengono informazioni complete sul campo elettromagnetico e il quadrotenziale elettromagnetico, (Φ, $ \mathbf {A} $), deve essere usato invece. "
@G.Smith l'intento della mia domanda era se nel caso in cui Gauss o Stokes dovessero fallire per un trifoglio e la sua superficie, allora considereremmo giustamente A più fondamentale di B già in * EM classico *.Come ho appena appreso da J.Murray e ChiralAnomaly che poiché c'è sempre una superficie orientabile per qualsiasi contorno, Gauss / Stokes sostengono sempre quindi * quella * domanda è davvero irrilevante ma non perché Aharonov-Bohm.
Due risposte:
Chiral Anomaly
2020-08-01 02:05:53 UTC
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Ogni nodo è il confine di una superficie orientabile. Tale superficie è chiamata Seifert surface. $ ^ \ dagger $ Per ogni dato nodo (con una data incorporazione nello spazio 3-d), il flusso è lo stesso attraverso due di queste superfici. Come al solito, il flusso può essere calcolato integrando $ \ mathbf {B} $ sulla superficie, oppure integrando $ \ mathbf {A} $ attorno al nodo.

La figura 6 in "Visualizzazione delle superfici Seifert" di van Wijk e Cohen ( collegamento al pdf) mostra questa bella immagine di una superficie orientabile il cui confine è un nodo a trifoglio:

enter image description here

Il confine (il nodo trifoglio) è evidenziato in giallo. Per vedere che questo è davvero un nodo trifoglio, immagina di appianare le pieghe e poi guardare la figura dall'alto. Il fatto che la superficie sia orientabile è evidente all'ispezione (un insetto da una parte non può camminare dall'altra parte senza attraversare il confine), così come il fatto che non si interseca.

Intuitivamente, possiamo vedere che il teorema di Stokes funzionerà ancora in questo caso suddividendo la superficie in piccole celle, ciascuna con lo unknot come limite, e applicando il teorema di Stokes a ogni singola cella. I contributi delle superfici delle celle si sommano al flusso su tutta la superficie e i contributi dei confini delle celle si annullano a vicenda ogni volta che due confini sono adiacenti, lasciando solo l'integrale sul trifoglio.

Possiamo anche vedere intuitivamente che il flusso deve essere lo stesso attraverso due qualsiasi di tali superfici, perché queste due superfici possono essere unite in un'unica superficie chiusa su cui il flusso totale deve essere zero a causa di $ \ nabla \ cdot \ mathbf {B} = 0 $ . Il fatto che la superficie chiusa possa intersecarsi da sola non è un problema, così come non è un problema per due superfici intersecanti che condividono lo stesso unknot del confine.


$ ^ \ dagger $ L'idea alla base della prova dell'esistenza di una superficie di Seifert è abbozzata in "Seifert Surfaces and Generes of Knots" di Landry ( linkin pdf).

J. Murray
2020-08-01 01:38:38 UTC
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Per un nodo generico e orientato, puoi costruire una superficie orientata che ha il nodo come confine attraverso l ' algoritmo di Seifert.Il teorema di Stokes dice che il flusso attraverso due qualsiasi di tali superfici che condividono lo stesso confine deve essere lo stesso.

In linea di principio, si potrebbe costruire una superficie di Seifert per il nodo trifoglio, parametrizzarla e quindi valutare l'integrale di flusso.Questo potrebbe essere noioso, ma è possibile.Tuttavia, sarebbe molto più semplice, come dici tu, valutare semplicemente l'integrale di riga di $ \ mathbf A $ attorno al nodo.

Detto questo, questo non è un indicatore del fatto che $ \ mathbf A $ sia più fondamentale di $ \ mathbf B$ , perché non ci sono problemi a definire quegli integrali di flusso.Sarebbe solo particolarmente difficile valutarli direttamente.

c'è sempre una superficie Seifert per * qualsiasi * contorno (rettificabile)?In altre parole, tutti i contorni sono "nodi"?
@hyportnex Un nodo è definito come una curva chiusa, non autointersecante incorporata in $ \ mathbb R ^ 3 $, ed è un teorema nella teoria dei nodi secondo cui ogni nodo ha almeno una superficie di Seifert.
@hyportnex Chiral Anomaly ha scritto una risposta meravigliosa con più intuizione e una bella visualizzazione per accompagnarla.Non mi offenderei affatto se accettassi quello (e questo in realtà è un buon argomento per aspettare un po 'prima di accettare una risposta).


Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 4.0 con cui è distribuito.
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