Paul Sutter ist Astrophysiker an der Ohio State University und Chefwissenschaftler am COSI Science Center. Sutter ist außerdem Gastgeber von Ask a Spaceman und Space Radio und leitet AstroTours auf der ganzen Welt. Sutter hat diesen Artikel zu Space.com’s Expert Voices beigetragen: Op-Ed & Insights.
Man würde denken, dass Elektronen einfach genug zu beschreiben sind. Masse. Ladung. Gut zu wissen. Mit diesen zwei kleinen Zahlen lassen sich eine ganze Reihe von elektromagnetischen Phänomenen beschreiben. Aber Forscher haben gelernt, dass diese Teilchen viel komplizierter sind als das.
Das wurde klar, als Otto Stern und Walther Gerlach 1922 einige Silberatome durch ein variiertes Magnetfeld schossen und etwas sahen, das sie nicht erklären konnten. Der Aufbau erforderte Silberatome, die elektrisch neutral waren – die Ladung ihrer Elektronen glich die der Protonen perfekt aus. Würde man dieses Experiment durchführen, ohne etwas über Quantenmechanik zu wissen (a la Stern und Gerlach), könnte man eines von zwei Ergebnissen erwarten.
Im langweiligsten Fall würde die Neutralität der Atome jede Wechselwirkung mit dem Magnetfeld aufheben, und sie würden geradlinig durch die Apparatur segeln, ohne auch nur zu blinzeln.
Wenn sich jedoch die Bestandteile des Atoms wie kleine Metallkugeln verhalten würden, die nicht nur Masse und Ladung haben, sondern sich auch um ihre eigene Achse drehen können, dann würde dieser Drehimpuls tatsächlich mit dem umgebenden Magnetfeld wechselwirken und ein Drehmoment erzeugen. Das ist ein ganz normaler und bekannter elektromagnetischer Effekt, den Sie zu Hause ausprobieren können, vorausgesetzt, Sie haben starke Magnetfelder und schnell drehende Metallkugeln.
Da jedes einzelne Atom ein zufälliges Drehmoment in eine zufällige Richtung hätte, würde diese Wechselwirkung die Flugbahnen der Atome aufspreizen und sie nach dem Verlassen des Magnetfeldes gegen einen Schirm prallen lassen.
Stern und Gerlach waren überrascht, weil sie weder das eine noch das andere bekamen.
Taking a fork in the road
Anstattdessen starrten die beiden deutschen Wissenschaftler auf zwei unterschiedliche Flecken von abgelagerten Silberatomen. Anstatt in einer geraden Linie zu verlaufen und sich gleichmäßig zu verteilen, schien es, als hätten sich die Silberatome verschworen, sich in zwei verschiedene Lager aufzuteilen, wobei eine Gruppe nach oben und die andere nach unten ging.
Die Experimentatoren wurden Zeugen eines der ersten offensichtlichen Hinweise darauf, dass die subatomare Welt nach Regeln funktioniert, die weit entfernt von den bekannten sind. In diesem Fall waren Quanteneffekte in vollem Gange, und die Forscher erkannten bald, dass Atome (oder genauer gesagt, die Teilchen, aus denen Atome bestehen) eine bisher unbekannte Eigenschaft haben, die sich nur in Gegenwart eines Magnetfeldes zeigt.
Und da sich diese Atome sozusagen wie drehende Kugeln aus elektrisch geladenem Metall verhielten, wurde diese neue Eigenschaft „Spin“ genannt. Und so hatten Teilchen wie Elektronen plötzlich drei Eigenschaften: Masse, Ladung und Spin.
Taking it out for a ’spin‘
Und genau wie bei Masse und Ladung können wir Experimente durchführen, um die Natur der Spin-Eigenschaft zu entdecken und wie sie mit den anderen Kräften und Teilchen im Universum zusammenspielt. Und es stellt sich heraus, dass der Spin in der Tat einige ziemlich seltsame Eigenschaften hat.
Zum einen ist die Größe des Spins eines bestimmten Teilchens festgelegt. Per Definition haben Elektronen einen Spin von 1/2. Andere Teilchen können einen Spin von 1, 3/2, 2 oder sogar 0 haben. Und die Größe des Spins eines Teilchens bestimmt, welche Richtungen des Spins wir tatsächlich messen können.
Zum Beispiel kann ein Teilchen mit Spin 1/2 wie ein Elektron immer nur mit +1/2 oder -1/2 gemessen werden, was den Auslenkungen nach oben und unten des Stern-Gerlach-Experiments entspricht. Ein Spin-1-Teilchen, wie z. B. ein Photon, kann in den Richtungen +1, 0 oder -1 gemessen werden, und das war’s. Ich weiß, es ist eine verwirrende Schreibweise, aber Sie müssen den Physikern die Schuld geben, die es vor hundert Jahren zum ersten Mal beschrieben haben.
Beachten Sie, dass die tatsächliche Richtung des Spins überall hin zeigen könnte – stellen Sie sich einen kleinen Pfeil vor, der an jedem einzelnen Teilchen angebracht ist. Die Länge dieses Pfeils ist für jede Art von Teilchen festgelegt, aber wir dürfen immer nur eine begrenzte Anzahl von Richtungen messen. Wenn der Pfeil auch nur ein wenig nach oben zeigt, wird er in jedem Experiment als +1/2 registriert. Zeigt er ein bisschen nach unten oder sehr viel nach unten, ist es egal, wir erhalten -1/2. Und das war’s.
Es ist wie die nutzloseste GPS-Navigation der Welt: Anstatt Ihnen eine genaue Wegbeschreibung zu geben, wird Ihnen nur gesagt: „Gehen Sie 500 Schritte nach Norden“ oder „Gehen Sie 500 Schritte nach Süden.“ Viel Glück bei der Suche nach dem Restaurant.
Ausreizen der Grenzen
Das ist das leidige Thema der Quantenmechanik: Sie schränkt unsere Fähigkeit, Dinge auf kleinen Skalen zu messen, grundlegend ein.
Nach genügend Experimenten wurden die „Regeln“ des Spins zum Wissen der Wissenschaftler über die Quantenphysik hinzugefügt und gleichzeitig in den 1920er Jahren entwickelt. Aber es war nicht gerade eine natürliche Passung. Die Formulierung der Quantenwelt, mit der die meisten Leute vertraut sind – z. B. die berühmte Schrödingergleichung, die es uns erlaubt, Wahrscheinlichkeiten für die Position von Teilchen zu berechnen – beinhaltet nicht von Natur aus das Konzept des Spins.
Das Problem rührt von der Herangehensweise her, die Erwin Schrödinger wählte, als er sich daran machte, diese ganze Quantengeschichte zu verstehen. In den frühen 1920er Jahren war Einsteins spezielle Relativitätstheorie bereits ein alter Hut, und die Physiker wussten, dass jedes physikalische Gesetz diese Theorie beinhalten muss. Aber als Schrödinger eine relativistisch korrekte Version seiner Gleichung schrieb, konnte er sich keinen Reim darauf machen und verwarf sie zugunsten der weniger korrekten, aber immer noch brauchbaren Version, die wir kennen und lieben. Obwohl unglaublich nützlich, beinhaltet Schrödingers Bild der Quantenmechanik nicht automatisch irgendeine Beschreibung des Spins – sie muss unelegant angehängt werden.
Aber etwa zur gleichen Zeit tüftelte auch ein gewisser theoretischer Physiker namens Paul Adrien Maurice Dirac an der Quantenwelt und ging mit vollem Elan an eine Annäherung an die Quantenmechanik, die die spezielle Relativitätstheorie einschloss. Und im Gegensatz zu seinem Kumpel Erwin war er in der Lage, den mathematischen Code zu knacken und die Implikationen herauszufinden. Eine dieser Implikationen der Vereinigung von Quantenmechanik und Spezieller Relativitätstheorie war – Sie haben es erraten – der Spin. Seine Mathematik enthielt automatisch eine Beschreibung des Spins. Hätte er sie ein paar Jahre vor den Experimenten von Stern und Gerlach ausgearbeitet, hätte er deren Ergebnisse vorhersagen können!
Stattdessen entdeckten wir den Quantenspin durch Experimente, aber Dirac lehrte uns, dass wir uns in einen vollständig relativistischen und quantenmechanischen Geisteszustand versetzen müssen, um diese seltsame Teilcheneigenschaft zu verstehen. So verlockend es auch sein mag, wir müssen jeden Gedanken daran, dass subatomare Teilchen winzige, kleine, sich drehende Metallkugeln sind, völlig verwerfen; ihr Verhalten ist viel komplexer, als diese Metapher vermuten lässt. In der Tat gibt es wahrscheinlich überhaupt keine brauchbaren Metaphern.
Es gibt einfach keine klassische Beschreibung für diese rätselhafte Eigenschaft. Stattdessen ist der Spin eine fundamentale Eigenschaft unseres Universums, die sich nur in der Schnittmenge von Quantenmechanik und Spezieller Relativitätstheorie manifestiert, ohne makroskopische Metaphern. Nur durch Diracs mathematische Maschinerie können wir Vorhersagen über das Spin-Verhalten machen, die wir brauchen, um Physik zu betreiben. So haben wir den unglücklichen Fall, dass die einzige Möglichkeit, die Frage „Was ist Spin?“ zu beantworten, darin besteht, einfach auf die Mathematik von Dirac zu zeigen und mit den Schultern zu zucken.
Erfahren Sie mehr, indem Sie sich die Episode „How are we to understand quantum spin?“ im Ask A Spaceman-Podcast anhören, der auf iTunes und im Web unter http://www.askaspaceman.com verfügbar ist. Danke an Dean B., Pete E., @nirbnz, Kari Kale und @sowjuinil für die Fragen, die zu diesem Beitrag führten! Stellen Sie Ihre eigene Frage auf Twitter mit #AskASpaceman oder indem Sie Paul @PaulMattSutter und facebook.com/PaulMattSutter folgen. Folgen Sie uns auf @Spacedotcom, Facebook und Google+. Originalartikel auf Space.com.
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