Странното квантово свойство на „Spin“

електрон

Освен масата и заряда, електроните имат и странно квантово свойство, наречено „спин“. (Изображение кредит: Pietro Zuco/ Flickr -)



Пол Сътър е астрофизик в Държавният университет на Охайо и главният учен в Научен център COSI . Sutter също е домакин на Попитайте космическия човек и Космическо радио , и води AstroTours по света. Сътър допринесе тази статия за експертните гласове на demokratija.eu: Op-Ed & Insights.



Бихте си помислили, че електроните ще бъдат достатъчно лесни за описване. Масова такса. Добре е да тръгнете. Тези две малки числа могат да се използват за описване на цял набор от електромагнитни явления. Но изследователите са научили, че тези частици са много по -сложни от това.

Това стана ясно, когато Ото Стърн и Валтер Герлах изстреляха някои сребърни атоми през разнообразно магнитно поле през 1922 г. и видяха нещо, което не можеха да обяснят. Настройката изискваше сребърни атоми, които бяха електрически неутрални - с заряда на техните електрони, перфектно балансиращ този на протоните. Ако трябваше да проведете този експеримент и да не знаете нищо за квантовата механика (а ла Стърн и Герлах), може да очаквате един от двата резултата. [5 -те най -гениални експеримента в астрономията и физиката]



В най-скучния възможен резултат неутралността на атомите ще анулира всяко взаимодействие с магнитното поле и те ще плават праволинейно през апарата, без дори да мигат.

Ако обаче компонентите на атома се държат като малки метални топки, които не само имат маса и заряд, но и могат да се въртят около собствената си ос, тогава този ъглов импулс наистина ще взаимодейства с околното магнитно поле, създавайки въртящ момент . Това е напълно нормален и добре познат електромагнитен ефект, който можете да опитате у дома, ако приемете, че имате силни магнитни полета и бързо въртящи се метални топки.

Тъй като всеки отделен атом би имал случаен въртящ момент в произволна посока, това взаимодействие би разпръснало траекториите на атомите, изпращайки ги да се пръскат върху екрана след излизане от магнитното поле.



Стърн и Герлах бяха изненадани, защото не получиха нито едното, нито другото.

Вземете разклонение по пътя

Вместо това двамата германски учени се озоваха втренчени в две отделни петна от натрупани сребърни атоми. Вместо да се движат по права линия и вместо да се разпределят равномерно, изглежда, че сребърните атоми са се заговорили да се разделят на два отделни лагера, като едната група се насочва нагоре, а другата - надолу.

Експериментаторите бяха свидетели на една от първите улики в лицето, че субатомната сфера работи по правила, които са далеч от познатите. В такъв случай, квантови ефекти бяха с пълна сила и скоро изследователите разбраха, че атомите (или по -точно частиците, които съдържат атоми) имат неизвестно преди това свойство, което се разкрива само в присъствието на магнитно поле.



И тъй като тези атоми се държат като въртящи се топки от електрически зареден метал, това ново свойство е наречено „въртене“. И така частици като електрони изведнъж имаха три свойства: маса, заряд и спин.

Изваждане за 'завъртане'

И точно като масата и заряда, можем да извършваме експерименти, за да открием естеството на свойството на спина и как то взаимодейства с другите сили и частици във Вселената. И се оказва, че спинът наистина има доста странни свойства.

От една страна, величината на спина на определена частица е фиксирана. По дефиниция електроните имат спин, равен на 1/2. Други частици могат да имат въртене от 1, 3/2, 2 или дори 0. И величината на спина на частицата определя кои посоки на въртенето всъщност можем да измерим.

Например, частица от спин 1/2 като електрон може да бъде измерена само на +1/2 или -1/2, съответстваща на отклоненията нагоре и надолу от експеримента на Стърн -Герлах. Частица със спин 1, като фотон, може да бъде измерена, за да има посоки +1, 0 или -1, и това е всичко. Знам, че това е объркващо обозначение, но ще трябва да обвините физиците, които го описаха за първи път преди сто години.

Имайте предвид, че действителната посока на въртене може да сочи навсякъде - представете си малка стрелка, маркирана върху всяка частица. Дължината на тази стрелка е фиксирана за всеки вид частица, но това ни е позволено самомяркаограничен брой посоки. Ако стрелката сочи дори леко нагоре, тя ще се регистрира във всеки експеримент като +1/2. Ако е малко надолу или много надолу, няма значение, получаваме -1/2. И това е.

Това е като най -безполезната GPS навигация в света: Вместо да ви дава точни указания, ви се казва само: „На север 500 стъпки“ или „На юг 500 стъпки“. Успех с намирането на този ресторант.

Като се стигне до краен предел

Точно там е унизителната природа на квантовата механика: тя фундаментално ограничава способността ни да измерваме нещата в малки мащаби.

След достатъчно експерименти, „правилата“ на въртенето бяха добавени към познанията на учените по квантовата физика, които едновременно бяха разработени през 20 -те години на миналия век. Но не беше съвсем естествено. Формулировката на квантовия свят, с която повечето хора са запознати - да речем, известното уравнение на Шредингер, което ни позволява да изчислим вероятностите за местоположение на частици - естествено не включва концепцията за спин.

Проблемът произтича от подхода, който Ервин Шрьодингер предприе, когато отиде да разбере целия този квантов бизнес. До началото на 20 -те години на миналия век теорията за специалната относителност на Айнщайн вече беше стара новина и физиците знаеха, че всеки закон на физиката трябва да включва това. Но когато Шрьодингер написа относително правилна версия на уравнението си, той не можеше да прави глави или опашки от него и се отказа от него за по-малко правилната, но все пак работеща версия, която познаваме и обичаме. Макар и невероятно полезна, картината на Шрьодингер за квантовата механика не включва автоматично никакво описание на въртенето - тя трябва да бъде придържана нелегарно.

Но приблизително по същото време известен теоретик -физик на име Пол Адриен Морис Дирак също озадачава квантовия свят и се уморява с подход към квантовата механика, който включва специална относителност. И за разлика от приятеля си Ервин, той успя да разбие математическия код и да разбере неговите последици. Едно от тези последици от обединяването на квантовата механика със специална относителност беше - предположихте - спин. Неговата математика автоматично включва описание на спина. Ако беше работил няколко години преди експериментите на Стърн и Герлах, можеше да предвиди техните резултати!

Вместо това открихме квантовото въртене чрез експерименти, но Дирак ни научи, че за да разберем това странно свойство на частиците, трябва да се поставим в напълно релативистично и квантово състояние на ума. Колкото и изкусително да е, трябва напълно да отхвърлим всякакви мисли за субатомни частици като малки, малки въртящи се метални топки; тяхното поведение е много по -сложно, отколкото би могло да се предположи от тази метафора. Всъщност вероятно няма никакви полезни метафори.

Просто няма класическо описание на това загадъчно свойство. Вместо това, спинът е основно свойство на нашата вселена, проявено само в пресечната точка на квантовата механика и специалната относителност, без макроскопични метафори. Само чрез математическата машина на Дирак можем да правим прогнози за поведението на въртене, което ни е необходимо, за да правим физика. Така имаме нещастен случай, при който единственият начин да се отговори на въпроса „Какво е спин?“ е просто да посочиш математиката на Дирак и да свиеш рамене.

Научете повече, като слушате епизода 'Как да разбираме квантовото въртене?' на подкаста Ask A Spaceman, достъпен на iTunes и в мрежата на http://www.askaspaceman.com . Благодаря на Dean B., Pete E., @nirbnz, Kari Kale и @sowjuinil за въпросите, които доведоха до това парче! Задайте свой собствен въпрос в Twitter, като използвате #AskASpaceman или като следвате Пол @PaulMattSutter и facebook.com/PaulMattSutter . Последвай ни @Spacedotcom , Facebook и Google+ . Оригинална статия на demokratija.eu .