Странное квантовое свойство вращения
Помимо массы и заряда, у электронов есть странное квантовое свойство, называемое «спином». (Изображение предоставлено: Пьетро Зуко / Flickr -)
Пол Саттер астрофизик в Государственный университет Огайо и главный научный сотрудник Научный центр COSI . Саттер также является ведущим Спросите космонавта а также Космическое радио , и ведет АстроТуры вокруг света. Саттер опубликовал эту статью для журнала Expert Voices: Op-Ed & Insights на guesswhozoo.com.
Можно подумать, что электроны достаточно легко описать. Масса заряда. Хорошо пойти. Эти два маленьких числа можно использовать для описания целого ряда электромагнитных явлений. Но исследователи выяснили, что эти частицы намного сложнее.
Это стало ясно, когда Отто Штерн и Вальтер Герлах пронесли несколько атомов серебра через переменное магнитное поле в 1922 году и увидели то, что они не могли объяснить. Для установки требовались атомы серебра, которые были электрически нейтральными - с зарядом их электронов, идеально уравновешивающим заряд протонов. Если бы вы проводили этот эксперимент и ничего не знали о квантовой механике (а-ля Штерн и Герлах), вы могли бы ожидать одного из двух результатов. [5 самых гениальных экспериментов в астрономии и физике]
В самом скучном из возможных результатов нейтральность атомов сводила бы на нет любое взаимодействие с магнитным полем, и они пролетали бы через прибор по прямой, даже не мигая.
Однако, если бы компоненты атома вели себя как маленькие металлические шарики, которые не только обладали массой и зарядом, но и могли вращаться вокруг своей оси, то этот угловой момент действительно взаимодействовал бы с окружающим магнитным полем, создавая крутящий момент. . Это совершенно нормальный и хорошо известный электромагнитный эффект, который вы можете попробовать дома, при условии, что у вас есть сильные магнитные поля и быстро вращающиеся металлические шары.
Поскольку каждый отдельный атом будет иметь случайный крутящий момент в случайном направлении, это взаимодействие будет распространять траектории атомов, заставляя их разбрызгиваться на экран после выхода из магнитного поля.
Стерн и Герлах были удивлены, потому что у них не было ни того, ни другого.
На развилке дороги
Вместо этого двое немецких ученых обнаружили, что смотрят на два отчетливых пятна осажденных атомов серебра. Вместо того, чтобы идти по прямой линии и вместо того, чтобы равномерно распространяться, оказалось, что атомы серебра сговорились разделиться на два отдельных лагеря, причем одна группа движется вверх, а другая - вниз.
Экспериментаторы стали свидетелями одного из первых прямых ключей к разгадке того, что субатомный мир действует по правилам, далеким от привычных. В этом случае, квантовые эффекты были в полной силе, и вскоре исследователи поняли, что атомы (или, точнее, частицы, из которых состоят атомы) обладают ранее неизвестным свойством, которое проявляется только в присутствии магнитного поля.
И поскольку эти атомы вроде как вели себя как вращающиеся шары из электрически заряженного металла, это новое свойство было названо «спином». Таким образом, частицы, подобные электронам, внезапно приобрели три свойства: массу, заряд и спин.
Взяв его на `` вращение ''
И так же, как масса и заряд, мы можем проводить эксперименты, чтобы обнаружить природу свойства спина и то, как оно взаимодействует с другими силами и частицами во Вселенной. Оказывается, у вращения действительно есть довольно странные свойства.
Во-первых, величина спина конкретной частицы фиксирована. По определению, электроны имеют спин, равный 1/2. Другие частицы могут иметь спин 1, 3/2, 2 или даже 0. А величина спина частицы определяет, какие направления вращения мы можем фактически измерить.
Например, частица со спином 1/2, такая как электрон, может быть измерена только как +1/2 или -1/2, что соответствует отклонениям вверх и вниз в эксперименте Штерна-Герлаха. Частица со спином 1, такая как фотон, может иметь направления +1, 0 или -1, и все. Я знаю, что это запутанные обозначения, но вам придется винить физиков, которые впервые описали это сто лет назад.
Имейте в виду, что фактическое направление вращения может указывать куда угодно - представьте маленькую стрелку, помеченную на каждой частице. Длина этой стрелки фиксирована для каждого вида частиц, но нам разрешено только мера ограниченное количество направлений. Если стрелка указывает даже немного вверх, это будет зарегистрировано в любом эксперименте как +1/2. Если он немного ниже или очень сильно, это не имеет значения, мы получаем -1/2. Вот и все.
Это похоже на самую бесполезную GPS-навигацию в мире: вместо того, чтобы давать вам точные указания, вам всего лишь говорят: «Иди на 500 шагов на север» или «Иди на 500 шагов на юг». Удачи в поисках этого ресторана.
Довести это до предела
В этом и заключается сбивающая с толку природа квантовой механики: она фундаментально ограничивает нашу способность измерять вещи в малых масштабах.
После достаточного количества экспериментов «правила» вращения были добавлены к знаниям ученых о квантовой физике, которые одновременно разрабатывались в 1920-х годах. Но это было не совсем естественно. Формулировка квантового мира, с которой знакомо большинство людей - скажем, знаменитое волновое уравнение Шредингера, которое позволяет нам вычислять вероятности местоположения частиц - естественно, не включает концепцию спина.
Проблема связана с подходом, который использовал Эрвин Шредингер, когда он отправился разобраться во всем этом квантовом бизнесе. К началу 1920-х годов специальная теория относительности Эйнштейна была уже старой новостью, и физики знали, что любой закон физики должен включать это. Но когда Шредингер написал релятивистски правильную версию своего уравнения, он не смог разобраться в ней и отказался от нее в пользу менее правильной, но все же работающей версии, которую мы знаем и любим. Представленная Шредингером картина квантовой механики невероятно полезна, но она не включает автоматически никакого описания спина - к ней нужно неуклюже прибавить.
Но примерно в то же время некий физик-теоретик по имени Поль Адриен Морис Дирак также ломал голову над квантовым миром и в полной мере использовал подход к квантовой механике, включающий специальную теорию относительности. И в отличие от своего приятеля Эрвина, он смог взломать математический код и выяснить его значение. Одним из таких следствий объединения квантовой механики со специальной теорией относительности было, как вы уже догадались, вращение. Его математика автоматически включала описание вращения. Если бы он разработал это за несколько лет до экспериментов Штерна и Герлаха, он бы мог предсказать их результаты!
Вместо этого мы открыли квантовый спин путем экспериментов, но Дирак научил нас, что для того, чтобы понять это странное свойство частицы, мы должны погрузиться в полностью релятивистское и квантовое состояние ума. Каким бы заманчивым это ни казалось, мы должны полностью отказаться от любых мыслей о субатомных частицах как о крошечных вращающихся металлических шариках; их поведение намного сложнее, чем можно предположить из этой метафоры. В самом деле, полезных метафор, вероятно, вообще нет.
Классического описания этого загадочного свойства просто нет. Напротив, спин - фундаментальное свойство нашей Вселенной, проявляющееся только на пересечении квантовой механики и специальной теории относительности, без макроскопических метафор. Только с помощью математического аппарата Дирака мы можем делать прогнозы относительно поведения вращения, которое нам необходимо для изучения физики. Таким образом, мы имеем досадный случай, когда единственный способ ответить на вопрос «Что такое спин?» просто указать на математику Дирака и пожать плечами.
Узнайте больше, послушав серию «Как нам понять квантовый спин?» в подкасте 'Спроси космонавта', доступном на iTunes и в Интернете по адресу http://www.askaspaceman.com . Спасибо Дину Б., Питу Э., @nirbnz, Кари Кале и @sowjuinil за вопросы, которые привели к этой статье! Задайте свой вопрос в Твиттере, используя #AskASpaceman или подписавшись на Пола @PaulMattSutter а также facebook.com/PaulMattSutter . Подписывайтесь на нас @Spacedotcom , Facebook а также Google+ . Оригинальная статья о guesswhozoo.com .
