电磁学中自旋与轨道角动量的守恒

我们回顾并重新审视了自由空间中电磁场的自旋和轨道角动量 (AM) 的描述与分离。虽然在正统量子力学或经典场论中，光的自旋和轨道 AM 并非分别有意义的物理量，但这些量在光学中通常被测量并用于应用。最近，几位作者提供了光的自旋和轨道 AM 的一种有意义的量子描述，该描述分别给出了这些量守恒且可测量的积分值。然而，电磁场理论仍然缺乏相应的局部守恒的自旋和轨道 AM 流。在本文中，我们构造了这些缺失的、满足适当连续性方程的自旋和轨道 AM 密度与流。我们证明这些是物理上可测量且守恒的量。然而，它们不是 Lorentz 协变的，因此仅在测量探针的单个实验室参考系中有意义。我们导出的流改进了正则（非守恒）自旋和轨道 AM 流，并包含一个描述在非傍轴光场中观察到的自旋-轨道相互作用效应的“自旋-轨道”项。我们还考虑了电磁场理论的标准版本和双对称版本。将一般理论应用于非傍轴光学涡旋光束验证了我们的结果，并使我们能够区分早期解决该问题的方法。我们的处理在量子力学和场论两种方法中，给出了自由 Maxwell 场自旋和轨道 AM 的完整且一致的描述。