Этот безумный квантовый мир. Часть 2: Спин

Мы решили попросить некоторых увлеченных студентов и молодых исследователей рассказать нам, что они изучают. Первую серию лекций для нас прочитал магистр кафедры теоретической физики ЯрГУ им. П.Г. Демидова Михаил Каликин. Он рассказал нам о малопонятном даже для самих физиков мире квантов. И сегодня нам предстоит разобраться с тем, что ученые именуют спином.


Другие лекции серии:

Этот безумный квантовый мир. Часть 1

Этот безумный квантовый мир. Часть 3: Квантовое число

Этот безумный квантовый мир. Часть 4: Квантовые компьютеры


 

Работая с невозможным

Как я уже говорил, в квантовом мире действуют свои, совершенно особые законы, которые с нашей действительностью имеют очень мало общего. Здесь начинаются законы больших чисел. То есть каждая частица, как и любой человек, может быть совершенно оригинальна, индивидуальна, не похожа на другие частицы. Однако когда таких оригинальных «личностей» собираются миллиарды, даже миллиарды миллиардов и больше, индивидуальность теряется напрочь. Но в то же время, если рассматривать одного единственного представителя, если копаться в одной частице или в их паре, когда они взаимодействуют, то начинают проявляться все эти законы индивидуальности, о которых я говорил в прошлой лекции.

Так уж заведено в физической науке: когда физики встречают что-то новое и не знают, как оно будет вести себя на самом деле, они загоняют это во всевозможные условия и ищут что-нибудь интересное. Например, был такой эксперимент: брали поток частиц, электронов, и брали мощный магнит, ставили его и смотрели, что же с ними будет. Предсказание у них было такое: раз это заряженные частицы, то магнит на них должен как-то влиять. Причем на все частицы одинаково, поскольку у них у всех равный заряд, масса и так далее. По идее, он должен был отклонить их, и на экране должно было появиться в определённом месте пятно, куда попали электроны. Некоторые из них, конечно, немного отклонились бы, потому что у них разные скорости.

Нашли то — не знаю что

спинОднако физики были несколько удивлены полученным результатам, поскольку получилось не одно пятно, а два. Одно пятно находилось повыше, чем должно было, а другое — пониже. В попытках объяснить, что же произошло и почему вроде бы такая привычная вещь повела себя не так, как ожидалось, они пришли к тому, к чему приходят все люди, занимающиеся квантовой механикой. Они поняли, что нашли что-то необычное. Но дать объяснение почему всё происходит именно так они совершенно не в состоянии. Поэтому им остаётся только принять как есть и жить дальше.

[mydoubleline]В этом, наверное, суть всех физиков: они могут исследовать только то, до чего они могут докопаться. Всё остальное они не трогают. Например, они не берутся оспаривать божественные теории, потому что это из другого мира и это нельзя пронаблюдать. А раз так — всё, не стоит и задавать глупых вопросов.[/mydoubleline]

Первоначально идея была такая: электроны, как маленькие мячики, могут двигаться не только относительно нас куда-то вперёд, но ещё могут вращаться сами по себе. Только если мы возьмём обычный мячик, то он может вращаться,как придётся по любой из своих осей. Здесь же учёные наблюдали, что «вращений» может быть только два. Одно «вращение» приводит к тому, что частицы летят выше, чем должны были. А другое«вращение» —к тому, что они летят ниже. То есть некое «вращение» есть, причем двух видов. И вот оно-то и создаёт собственное магнитное поле у частицы, которое взаимодействует с магнитом и вызывает отклонение частиц от изначального пути. Это условное вращение назвали спином (от англ. spin — вращение).

Найденным эффектом заинтересовались и стали искать его не только у электронов. И нашли. Например протон проявлял такие же свойства в магнитном поле. А значит и ему присущ этот загадочный спин. Но также обнаружили и частицы, у которых спина нет, то есть они не проявляют таких загадочных свойств — они называются скалярными.

Как потом выяснилось, спин может быть разным. И если принимать какие-то условные единицы, то спин электрона — это ½ вот этих условных единиц. А, например, спин у фотона — единица, и ведёт он себя, из-за того что спин у него другой, совершенно иначе. Получалось, что в зависимости от вот этого загадочного числа, которое мы условно присваиваем частицам, меняется характер того, как они себя ведут.

Строптивые частицы

Этот безумный квантовый мир. Часть 2: Спин
Энрико Ферми. Wikimedia.org (CC0 1.0)

Был такой ученый по фамилии Паули. Он обнаружил, что электроны друг с другом не «дружат», если у них одинаковый спин. И еще они отказываются вставать друг с другом в один ряд. Причем выяснилось, что на этом законе, на нежелании электронов с одинаковым спином вставать в один ряд, существуют звёзды: белые карлики. Согласно уже ньютоновским законам, поскольку на них давит гравитация, они должны были бы сжиматься в точку. У обычных звёзд, вроде нашего Солнца, внутри происходит термоядерная реакция, которая разрывает звезду изнутри, не давая ей схлопнуться. И так идёт борьба между двумя силами: одна схлопывает, а другая разрывает на части.

Так вот у белого карлика внутри термоядерные реакции уже не идут, а удерживает его от сжатия именно нежелание электронов становиться в один ряд. То есть, казалось бы, это маленькие-премаленькие непонятные частицы, и что они там хотят или не хотят, нам должно быть всё равно. Мы живём в «большом мире», и здесь законы индивидуального нехотения, вроде как, не проявляются. Но на этом законе, на том, что все вот эти электроны, которые находятся там, не могут встать в один ряд близко друг с другом — на этом держатся целые звёзды.

[mydoubleline]Такие частицы, которые не хотят становиться в один ряд друг с другом и не хотят быть в одном состоянии рядом, называются фермионами, в честь Энрико Ферми, описавшим распределение вероятности таких частиц в квантовых системах. С ними связано, например, то, что на одной орбите у атома может находиться только два электрона. Они могут находиться там только потому, что у одного из них спин будет положительный, а у другого отрицательный.[/mydoubleline]

Но есть также частицы типа фотона, у которых спин может быть не только либо положительным, либо отрицательным, но и нулевым. Такие частицы ведут себя совершенно иначе. Они вполне не против того, чтобы всем быть одинаковыми, то есть становиться в ряд, имея одинаковый спин. Вот таких частиц можно накидать в одно место очень много, и они не будут друг с другом враждовать. Но не будем вдаваться в подробности — это уже совсем другая история. Просто отметим, что есть и такие частицы.

И всё-таки она не вертится

Так вот, этот загадочный спин — это некоторое свойство, которое присуще частице. Первоначально думали, что она совершает движения вокруг себя, поэтому и назвали его спином, то есть вращением. Однако потом люди поняли, что вращением это не может быть в принципе, потому что для такого значения спина, которое мы имеем, тому же электрону пришлось бы вращаться вокруг своей оси быстрее скорости света, а это, как обнаружили физики, невозможно. Это нарушало бы законы Вселенной, по которым сами частицы и существуют.

В итоге люди сошлись на том, что это не вращение. На вопрос о том, что же это такое, они ответить пока не пытаются. Частица просто живёт по каким-то своим внутренним законам. При этом мы можем увидеть проявление того, чем она является, а также можем пронаблюдать, как эти внутренние законы работают в нашей жизни. Пока что мы не можем сказать, откуда взялся спин. Мы можем сказать только, есть он или нет, и какое у него значение.

ПОХОЖИЕ СТАТЬИ

16 КОММЕНТАРИИ

  1. It is actually a nice and useful piece of info there (http://tinyurl.com/y945u2sw).
    I’m happy that you shared this helpful info with us.
    Please stay us informed like this. Thank you for sharing.

  2. I just could not depart your web site prior to suggesting that I actually enjoyed the standard information a person supply for your visitors?
    Is gonna be again regularly to inspect new posts

    Check out my homepage … there info (http://tinyurl.com/ybzbd5vl)

  3. Simply wish to say your article is as amazing.
    The clarity in your put up is just nice and i could assume you’re
    an expert on this subject. Well along with your permission let me
    to seize your feed to stay updated with drawing close post.

    Thank you 1,000,000 and please continue the enjoyable work.

    My web site — where info (http://tinyurl.com/y9lxbqkn)

  4. Amazing blog! Is your theme custom made or did you download it from somewhere?
    A theme like yours with a few simple adjustements would
    really make my blog jump out. Please let me know where
    you got your design. Thanks a lot

    Here is my page: airline tickets best price

  5. Definitely imagine that that you said. Your favourite reason appeared to be at the web the
    easiest thing to bear in mind of. I say
    to you, I certainly get annoyed while other folks consider issues that they plainly don’t recognise about.
    You controlled to hit the nail upon the top and
    also defined out the entire thing with no need side-effects , people can take a signal.
    Will likely be again to get more. Thanks

    My page … best rates on airfare

  6. Hello! I’ve been following your weblog for a long time now and finally got the
    bravery best way to book flights go ahead and
    give you a shout out from Kingwood Texas!
    Just wanted to say keep up the excellent job!

  7. Thanks for some other informative site. The place else could I get that kind of information written in such a perfect means?
    I have a project that I’m simply now operating on,
    and I’ve been at the glance out for such info.

    My web blog cheap tickets cheap flights

  8. I got this website from my pal who shared with me concerning this website
    and at the moment this time I am browsing this site and reading very informative posts at this time.

    Here is my blog :: gamefly

  9. Heya i am for the first time here. I found this board and I find It really useful & it helped
    me out a lot. I hope to give something back and help others like you
    helped me.

    Visit my blog post info is (http://tinyurl.com/)

  10. Hey there! I know this is kinda off topic info but (tinyurl.com) I was wondering which blog platform
    are you using for this website? I’m getting sick and tired of WordPress
    because I’ve had problems with hackers and I’m looking at alternatives for another platform.

    I would be fantastic if you could point me in the direction of a good
    platform.

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here

Новые статьи