Спин
«Что нам действительно нужно, так это воображение, но воображение в надежной смирительной рубашке.»
Ричард Фейнман
Вспомним, что для описания элементарной частицы ученые ввели четыре квантовых характеристики. Если с тремя более-менее все понятно, то, что собой представляет магнитный момент, возникающий при вращении, или спин, мы попытаемся сейчас выяснить.
Сегодня ученые могут классифицировать более 400 различных элементарных частиц. Великий итальянский физик Энрико Ферми на вопрос студента о названии какой-то элементарной частицы ответил: «Молодой человек, если бы я мог запомнить названия всех этих частиц, я бы стал ботаником».
Элементарно об элементарных
Вначале немного разберемся с понятием «элементарная частица».
Элементарная частица — термин собирательный и относится к объектам, размеры которых меньше, чем размеры ядра атома.
Разделить элементарные частицы на части невозможно, хотя их подавляющее большинство и имеет сложную внутреннюю структуру.
И только 28 частиц считаются бесструктурными и рассматриваются учеными как первичные, или фундаментальные, частицы. Характерной особенностью элементарных частиц является их взаимное превращение.
Чем же характеризуются элементарные частицы? Прежде всего, это масса, электрический заряд, время жизни и спин, о котором и пойдет речь ниже.
По массе все частицы делятся на тяжелые — адроны, средние — мезоны, легкие—лептоны. В зависимости от времени жизни элементарные частицы можно разделить на стабильные (1020—1030 лет), квазистабильные (10 —20 сек) и нестабильные (10-23 —10-24 с).
Еще в квантовой механике любой элементарной частице можно приписать некий собственный момент вращения, никак не связанный с ее движением в пространстве. Это свойство частиц является квантовым и не допускает классической интерпретации.
Собственный момент импульса частицы называется спином, в отличие от момента, связанного с движением частицы в пространстве, о котором говорят как об орбитальном моменте.
Идея о наличии у элементарных частиц собственного вращательного момента была высказана американцами Джорджем Уленбеком и Сэмюэлем Гаудсмитом в 1925 году. В квантовую же механику спин был введен Паули в 1927 году.
Элементарные частицы — своего рода конструктор LEGO, из которого строятся все объекты нашей Вселенной. Все элементарные частицы делятся на две группы: фермионы — частицы вещества (материи) и бозоны — переносчики взаимодействия.
Движение — это жизнь
Спин характеризует тот факт, что частицы ведут себя так, будто бы они вращаются около собственной оси, их можно представить как миниатюрные волчки. Спин задает направление частице, так же как ось волчка — всему устройству. Спин может реагировать на толчки так же, как это делает волчок, если толкать его в сторону, и вообще ведет себя подобно миниатюрным гироскопам.
Если частица имеет заряд, то у вращающейся заряженной частицы должен быть и магнитный момент. Можно сказать, что элементарные частицы представляют собой миниатюрные магниты.
Итак, спин—это момент вращения элементарной частицы, и ничего больше за этим словом не кроется. Как и все квантовые характеристики, он может принимать только строго определенные значения.
Обычно спин измеряется в количестве квантов вращения, которое имеет элементарная частица. Если говорят, что у частицы спин равен (+1), значит она имеет один квант вращения по часовой стрелке. Если у частицы спин равен (-1), значит эта частица имеет один квант вращения против часовой стрелки. Частицы, например электроны, могут иметь и полуцелый спин — (+%) или (-%).
Спин принято измерять в долях постоянной Планка: минимальное возможное значение спина соответствует % постоянной Планка. Но, как правило, физики говорят просто %, 1, 2 и так далее.
Частицы, имеющие целый спин, можно остановить. Если вращающийся фотон, имеющий только целый спин, отдаст один квант вращения, который он имеет, то он перестанет вращаться и его спин станет равным 0. Частицы, имеющие целый спин, называются бозонами. А электрон, имеющий, как было сказано, полуцелый спин, половину кванта вращения отдать не может. Вращение можно отдавать и принимать только целым числом квантов. Поэтому электрон не может остановиться, ведь если спин электрона равен (+%) и этот электрон отдает один квант вращения по часовой стрелке (+1), то получаем (+%) - (+1) = (-%). То есть этот электрон начинает вращаться в другую сторону с той же самой скоростью. Такие частицы принято называть фермионами.
Итак, самый простой пример спина—это целый спин, равный 1. Попробуем представить себе это наглядно. Возьмем вектор, в качестве примера—заточенный карандаш, лежащий на столе, и повернем его на 360 градусов. Этот вектор вернется в свое первоначальное состояние: наш карандаш будет лежать так же, как и до поворота.
Еще легче представить себе спин, равный 0. Это точка, которая со всех сторон выглядит одинаково.
При спине, равном 2, достаточно взять наш карандаш и заточить его с обеих сторон, тогда для возврата в положение, не отличимое от исходного, достаточно повернуть его всего на 180 градусов.
А вот для представления полуцелого спина, равного %, нужно взять ленту Мебиуса и представить, что по ней ползет муравей, тогда, сделав один оборот, то есть, пройдя 360 градусов, муравей окажется в той же точке, но с другой стороны ленты, а чтобы вернуться в точку, откуда он начал путь, придется пройти 720 градусов.
Таким образом, частицы, обладающие целым спином, восстанавливают свое состояние, если делают полный оборот, частицы же с полуцелым спином восстанавливают свое состояние, лишь повернувшись вокруг своей оси два раза.
Отметим, что вектор спина является единственной величиной, характеризующей ориентацию частицы в квантовой механике.
Переоценить значение спинов в современной физике трудно. Они являются основой для построения квантовых вычислителей, различного рода датчиков, часов, они ответственны за свойства атомов и свойства материалов. Это маленькие магнитики-гироскопы, прочно обосновавшиеся в нашей жизни.
«Вы оба достаточно молоды, чтобы позволить себе сделать одну глупость!» (Пауль Эренфест об открытии спина Джорджем Уленбеком и Сэмюэлем Гаудсмитом)