Paul Sutter è un astrofisico della Ohio State University e il capo scienziato del COSI science center. Sutter è anche ospite di Ask a Spaceman e Space Radio, e conduce AstroTours in tutto il mondo. Sutter ha contribuito con questo articolo a Expert Voices di Space.com: Op-Ed & Approfondimenti.
Si potrebbe pensare che gli elettroni siano abbastanza facili da descrivere. Massa. Carica. Bene per andare. Questi due piccoli numeri possono essere usati per descrivere tutta una serie di fenomeni elettromagnetici. Ma i ricercatori hanno imparato che quelle particelle sono molto più complicate di così.
Questo è diventato chiaro quando Otto Stern e Walther Gerlach hanno sparato alcuni atomi di argento attraverso un campo magnetico vario nel 1922 e hanno visto qualcosa che non potevano spiegare. Il setup richiedeva atomi d’argento che fossero elettricamente neutri – con la carica dei loro elettroni che bilanciava perfettamente quella dei protoni. Se si dovesse fare questo esperimento senza sapere nulla di meccanica quantistica (come Stern e Gerlach), ci si potrebbe aspettare uno dei due risultati.
Nel risultato più noioso possibile, la neutralità degli atomi annullerebbe qualsiasi interazione con il campo magnetico, ed essi attraverserebbero in linea retta l’apparecchio senza nemmeno battere ciglio.
Tuttavia, se i componenti dell’atomo si comportassero come piccole sfere di metallo che non hanno solo massa e carica, ma possono anche girare sul proprio asse, allora questo momento angolare interagirebbe davvero con il campo magnetico circostante, producendo una coppia. Questo è un effetto elettromagnetico del tutto normale e ben noto che si può provare a casa, supponendo di avere forti campi magnetici e palline di metallo che girano rapidamente.
Siccome ogni singolo atomo avrebbe avuto una coppia casuale in una direzione casuale, questa interazione avrebbe diffuso le traiettorie degli atomi, mandandoli a schizzare contro uno schermo dopo essere usciti dal campo magnetico.
Stern e Gerlach sono stati sorpresi perché non hanno ottenuto nessuna delle due cose.
Facendo un bivio nella strada
Invece, i due scienziati tedeschi si sono trovati a fissare due macchie distinte di atomi d’argento depositati. Invece di andare in linea retta, e invece di distribuirsi uniformemente, sembrava che gli atomi d’argento avessero cospirato per separarsi in due campi distinti, con un gruppo che andava verso l’alto e l’altro verso il basso.
Gli sperimentatori sono stati testimoni di uno dei primi indizi che il regno subatomico opera secondo regole che sono lontane da quelle familiari. In questo caso, gli effetti quantistici erano in pieno vigore, e i ricercatori si sono presto resi conto che gli atomi (o più precisamente, le particelle che compongono gli atomi) hanno una proprietà precedentemente sconosciuta che si rivela solo in presenza di un campo magnetico.
E poiché quegli atomi si comportavano come palle rotanti di metallo elettricamente carico, questa nuova proprietà è stata soprannominata “spin”. E così particelle come gli elettroni avevano improvvisamente tre proprietà: massa, carica e spin.
Prendendo una “rotazione”
E proprio come la massa e la carica, possiamo fare esperimenti per scoprire la natura della proprietà dello spin e come interagisce con le altre forze e particelle dell’universo. E si scopre che lo spin ha delle proprietà piuttosto strane.
Per esempio, la grandezza dello spin di una particolare particella è fissa. Per definizione, gli elettroni hanno uno spin pari a 1/2. Altre particelle possono avere spin di 1, 3/2, 2 o anche 0. E la grandezza dello spin di una particella determina le direzioni dello spin che possiamo effettivamente misurare.
Per esempio, una particella di spin 1/2 come un elettrone può essere misurata solo a +1/2 o -1/2, corrispondenti alle deflessioni verso l’alto e verso il basso dell’esperimento di Stern-Gerlach. Una particella di spin 1, come un fotone, può essere misurata per avere direzioni +1, 0 o -1, e basta. So che è una notazione confusa, ma devi dare la colpa ai fisici che l’hanno descritta per la prima volta cento anni fa.
Tieni presente che la direzione effettiva dello spin potrebbe puntare ovunque – immagina una piccola freccia apposta su ogni particella. La lunghezza di quella freccia è fissa per ogni tipo di particella, ma ci è permesso di misurare solo un numero limitato di direzioni. Se la freccia punta anche solo leggermente verso l’alto, sarà registrata in qualsiasi esperimento come +1/2. Se è un po’ più in basso o molto più in basso, non importa, otteniamo -1/2. Ed è tutto.
È come la navigazione GPS più inutile del mondo: Invece di darti indicazioni precise, ti dicono solo: “Vai a nord di 500 passi” o “Vai a sud di 500 passi”. Buona fortuna nel trovare quel ristorante.
Portandola al limite
Questa è la natura sconcertante della meccanica quantistica: Fondamentalmente limita la nostra capacità di misurare le cose su piccole scale.
Dopo abbastanza esperimenti, le “regole” dello spin sono state aggiunte alla conoscenza della fisica quantistica da parte degli scienziati, sviluppate contemporaneamente negli anni ’20. Ma non era esattamente un adattamento naturale. La formulazione del mondo quantistico che la maggior parte della gente conosce – per esempio, la famosa equazione d’onda di Schrodinger che ci permette di calcolare le probabilità di localizzazione delle particelle – non include naturalmente il concetto di spin.
Il problema deriva dall’approccio che Erwin Schrodinger ha adottato quando è andato a capire tutto questo business quantistico. All’inizio degli anni ’20, la teoria della relatività speciale di Einstein era già vecchia, e i fisici sapevano che qualsiasi legge della fisica doveva incorporarla. Ma quando Schrodinger scrisse una versione relativisticamente corretta della sua equazione, non riuscì a capirci niente, e la abbandonò per la versione meno corretta, ma ancora praticabile, che noi conosciamo e amiamo. Anche se incredibilmente utile, l’immagine di Schrodinger della meccanica quantistica non include automaticamente alcuna descrizione dello spin – deve essere inelegantemente aggiunta.
Ma più o meno nello stesso periodo, anche un certo fisico teorico di nome Paul Adrien Maurice Dirac stava cercando di capire il mondo quantistico e si è dato da fare con un approccio alla meccanica quantistica che includeva la relatività speciale. E a differenza del suo amico Erwin, riuscì a decifrare il codice matematico e a capirne le implicazioni. Una di queste implicazioni dell’unione della meccanica quantistica con la relatività speciale era – avete indovinato – lo spin. La sua matematica includeva automaticamente una descrizione dello spin. Se l’avesse elaborata qualche anno prima degli esperimenti di Stern e Gerlach, avrebbe potuto prevedere i loro risultati!
Invece abbiamo scoperto lo spin quantistico attraverso la sperimentazione, ma Dirac ci ha insegnato che per capire questa strana proprietà delle particelle dobbiamo metterci in uno stato mentale completamente relativistico, e quantistico. Per quanto allettante possa essere, dobbiamo scartare completamente qualsiasi pensiero che le particelle subatomiche siano piccole palline di metallo che girano; il loro comportamento è molto più complesso di quanto questa metafora possa suggerire. Infatti, probabilmente non ci sono metafore utili.
Semplicemente non esiste una descrizione classica di questa proprietà enigmatica. Invece, lo spin è una proprietà fondamentale del nostro universo, che si manifesta solo nell’intersezione della meccanica quantistica e della relatività speciale, senza metafore macroscopiche. È solo attraverso la macchina matematica di Dirac che possiamo fare previsioni sui comportamenti dello spin di cui abbiamo bisogno per fare fisica. Così abbiamo un caso sfortunato in cui l’unico modo per rispondere alla domanda “Che cos’è lo spin?” è semplicemente indicare la matematica di Dirac e fare spallucce.
Impara di più ascoltando l’episodio “Come possiamo capire lo spin quantistico?” sul podcast Ask A Spaceman, disponibile su iTunes e sul web all’indirizzo http://www.askaspaceman.com. Grazie a Dean B., Pete E., @nirbnz, Kari Kale, e @sowjuinil per le domande che hanno portato a questo pezzo! Fai la tua domanda su Twitter usando #AskASpaceman o seguendo Paul @PaulMattSutter e facebook.com/PaulMattSutter. Seguici su @Spacedotcom, Facebook e Google+. Articolo originale su Space.com.
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