Paul Sutter jest astrofizykiem na Uniwersytecie Stanowym Ohio i głównym naukowcem w centrum naukowym COSI. Sutter jest także gospodarzem programu Zapytaj Kosmonautę oraz Kosmicznego Radia, a także prowadzi AstroTours na całym świecie. Sutter wniósł ten artykuł do Głosów Ekspertów Space.com: Op-Ed & Insights.
Można by pomyśleć, że elektrony byłyby wystarczająco łatwe do opisania. Masa. Ładunek. Dobrze. Te dwie małe liczby mogą być użyte do opisania całego szeregu zjawisk elektromagnetycznych. Ale naukowcy dowiedzieli się, że te cząstki są o wiele bardziej skomplikowane.
To stało się jasne, gdy Otto Stern i Walther Gerlach w 1922 roku wystrzelili kilka atomów srebra przez zróżnicowane pole magnetyczne i zobaczyli coś, czego nie potrafili wyjaśnić. Konfiguracja wymagała atomów srebra, które były elektrycznie neutralne – ładunek ich elektronów idealnie równoważył ładunek protonów. Gdybyś miał przeprowadzić ten eksperyment i nie wiedział nic o mechanice kwantowej (a la Stern i Gerlach), mógłbyś spodziewać się jednego z dwóch rezultatów.
W najnudniejszym z możliwych rezultatów, neutralność atomów zniweczyłaby jakiekolwiek oddziaływanie z polem magnetycznym, a one same przeleciałyby w linii prostej przez aparaturę bez mrugnięcia okiem.
Jednakże, gdyby składniki atomu zachowywały się jak małe metalowe kulki, które nie tylko mają masę i ładunek, ale także mogą obracać się wokół własnej osi, wtedy ten moment pędu rzeczywiście oddziaływałby z otaczającym polem magnetycznym, wytwarzając moment obrotowy. Jest to całkowicie normalny i dobrze znany efekt elektromagnetyczny, który możesz wypróbować w domu, zakładając, że masz silne pole magnetyczne i szybko obracające się metalowe kulki.
Ponieważ każdy pojedynczy atom miałby losowy moment obrotowy w losowym kierunku, ta interakcja rozłożyłaby trajektorie atomów, wysyłając je rozpryskujące się o ekran po wyjściu z pola magnetycznego.
Stern i Gerlach byli zaskoczeni, ponieważ nie otrzymali ani jednego, ani drugiego.
Wybieranie rozwidlenia dróg
Zamiast tego, dwaj niemieccy naukowcy znaleźli się wpatrując się w dwie wyraźne plamy osadzonych atomów srebra. Zamiast iść w linii prostej i zamiast rozkładać się równomiernie, okazało się, że atomy srebra zmówiły się, by rozdzielić się na dwa odrębne obozy, z których jedna grupa podążała w górę, a druga w dół.
Eksperymentatorzy byli świadkami jednej z pierwszych bezpośrednich wskazówek, że sfera subatomowa działa na zasadach, które są dalekie od tych znanych. W tym przypadku efekty kwantowe były w pełnej mocy, a naukowcy szybko zdali sobie sprawę, że atomy (a dokładniej cząsteczki, z których składają się atomy) mają nieznaną wcześniej właściwość, która ujawnia się tylko w obecności pola magnetycznego.
A ponieważ atomy te zachowywały się jak wirujące kulki naładowanego elektrycznie metalu, tę nową właściwość nazwano „spinem”. I tak cząstki takie jak elektrony nagle miały trzy właściwości: masę, ładunek i spin.
Wyciąganie go na 'spin'
I tak jak w przypadku masy i ładunku, możemy przeprowadzać eksperymenty, aby odkryć naturę właściwości spinu i to, jak oddziałuje on z innymi siłami i cząstkami we wszechświecie. I okazuje się, że spin ma dość dziwne właściwości.
Po pierwsze, wielkość spinu danej cząstki jest stała. Z definicji, elektrony mają spin równy 1/2. Inne cząstki mogą mieć spin 1, 3/2, 2 lub nawet 0. Wielkość spinu cząstki określa, jakie kierunki spinu możemy zmierzyć.
Na przykład cząstka o spinie 1/2, taka jak elektron, może być mierzona tylko jako +1/2 lub -1/2, co odpowiada odchyleniom w górę i w dół w eksperymencie Sterna-Gerlacha. Cząstka o spinie 1, taka jak foton, może być mierzona w kierunkach +1, 0 lub -1, i to wszystko. Wiem, że to myląca notacja, ale musisz winić fizyków, którzy po raz pierwszy opisali to sto lat temu.
Pamiętaj, że rzeczywisty kierunek spinu może wskazywać gdziekolwiek – wyobraź sobie małą strzałkę przyczepioną do każdej cząstki. Długość tej strzałki jest stała dla każdego rodzaju cząstki, ale wolno nam mierzyć tylko ograniczoną liczbę kierunków. Jeśli strzałka jest skierowana choćby odrobinę w górę, to w każdym eksperymencie zostanie zarejestrowana jako +1/2. Jeśli jest trochę w dół lub bardzo mocno w dół, nie ma to znaczenia, otrzymamy -1/2. I to wszystko.
To jak najbardziej bezużyteczna nawigacja GPS na świecie: Zamiast podawać dokładne wskazówki, mówi się tylko: „Idź na północ 500 kroków” lub „Idź na południe 500 kroków”. Powodzenia w znalezieniu tej restauracji.
Traktując to do granic możliwości
To właśnie jest uciążliwa natura mechaniki kwantowej: Fundamentalnie ogranicza ona naszą zdolność do mierzenia rzeczy w małych skalach.
Po wystarczającej ilości eksperymentów, „zasady” spinu zostały dodane do wiedzy naukowców na temat fizyki kwantowej, równolegle rozwijanej w latach 20-tych. Nie było to jednak naturalne dopasowanie. Sformułowanie świata kwantowego, z którym większość ludzi jest zaznajomiona – powiedzmy, słynne równanie falowe Schrodingera, które pozwala nam obliczać prawdopodobieństwa lokalizacji cząstek – nie zawiera naturalnie pojęcia spinu.
Problem wynika z podejścia, jakie przyjął Erwin Schrodinger, kiedy zaczął rozgryzać cały ten kwantowy biznes. Na początku lat 20. teoria szczególnej względności Einsteina była już starą nowiną, a fizycy wiedzieli, że każde prawo fizyki musi ją uwzględniać. Ale kiedy Schrodinger napisał relatywistycznie poprawną wersję swojego równania, nie potrafił się w nim połapać i porzucił je na rzecz mniej poprawnej, ale wciąż możliwej do zastosowania wersji, którą znamy i kochamy. Choć niewiarygodnie użyteczny, Schrodingerowski obraz mechaniki kwantowej nie zawiera automatycznie opisu spinu – trzeba go nieelegancko dodać.
Ale mniej więcej w tym samym czasie pewien fizyk teoretyczny, Paul Adrien Maurice Dirac, również zastanawiał się nad światem kwantowym i poszedł na całość z podejściem do mechaniki kwantowej, które obejmowało szczególną względność. I w przeciwieństwie do swojego kolegi Erwina, był w stanie złamać matematyczny kod i zrozumieć jego implikacje. Jedną z tych implikacji połączenia mechaniki kwantowej ze szczególną względnością był – zgadliście – spin. Jego matematyka automatycznie zawierała opis spinu. Gdyby opracował go na kilka lat przed eksperymentami Sterna i Gerlacha, mógłby przewidzieć ich wyniki!
W zamian odkryliśmy kwantowy spin w drodze eksperymentu, ale Dirac nauczył nas, że aby zrozumieć tę dziwną właściwość cząstek, musimy wprowadzić się w całkowicie relatywistyczny i kwantowy stan umysłu. Choć może to być kuszące, musimy całkowicie odrzucić wszelkie myśli o cząstkach subatomowych jako o małych, kręcących się metalowych kulkach; ich zachowanie jest o wiele bardziej złożone niż sugerowałaby to metafora. W istocie, prawdopodobnie nie ma żadnych użytecznych metafor.
Po prostu nie ma klasycznego opisu tej enigmatycznej własności. Zamiast tego, spin jest fundamentalną własnością naszego wszechświata, przejawiającą się jedynie na przecięciu mechaniki kwantowej i szczególnej względności, bez makroskopowych metafor. Tylko dzięki matematycznej maszynerii Diraca możemy przewidywać zachowania spinu, które są nam potrzebne do uprawiania fizyki. Tak więc mamy niefortunny przypadek, w którym jedynym sposobem odpowiedzi na pytanie „Czym jest spin?” jest po prostu wskazanie na matematykę Diraca i wzruszenie ramionami.
Dowiedz się więcej, słuchając odcinka „Jak mamy zrozumieć kwantowy spin?” w podcaście Ask A Spaceman, dostępnym w iTunes i w sieci pod adresem http://www.askaspaceman.com. Podziękowania dla Deana B., Pete’a E., @nirbnz, Kari Kale i @sowjuinil za pytania, które doprowadziły do powstania tego artykułu! Zadaj swoje własne pytanie na Twitterze używając #AskASpaceman lub śledząc Paula @PaulMattSutter i facebook.com/PaulMattSutter. Śledź nas @Spacedotcom, Facebook i Google+. Oryginalny artykuł na Space.com.
Ostatnie wiadomości