Главная Физика Определение спина может перевернуть квантовую теорию

Новая физика. Что такое спин?

Электроны - искусные маленькие волшебники. Кажется, что они порхают по атому, не прокладывая определенного пути. Они часто оказываются в двух местах одновременно, а их поведение в кремниевых микрочипах обеспечивает работу вычислительной инфраструктуры современного мира, пишет Альтернативная наука.

Но один из их самых впечатляющих трюков обманчиво прост, как и любая магия. Электроны всегда кажутся вращающимися. Каждый электрон, который когда-либо наблюдался, будь то атомы углерода в ногте или в ускорителях частиц, выглядит невероятно умелым ианцором, который пляшет вокруг огромной массы.

Больше того, его вращение никогда не замедляется и не ускоряется. Как бы его не толкали и не пинали, он всегда движется с одной и той же скоростью. У него даже есть небольшое магнитное поле, как и положено вращающемуся объекту с электрическим зарядом. Такое поле называется "спином".

Но, несмотря на наши визуальные наблюдения, электроны не вращаются. Они не могут вращаться; доказательство невозможности вращения электронов является стандартной домашней задачей в любом вводном курсе квантовой физики.

Если бы электроны действительно вращались, этого было бы достаточно для пояснения спиноподобного поведения. К тому же они, вероятно, демонстрировали бы скорости, намного превышающие скорости света.

Еще более удивительно то, что на протяжении почти столетия это кажущееся противоречие большинство физиков просто списывали со счетов как еще одну странную особенность квантового мира, которую можно проигнорировать.

Тем не менее, спин имеет огромное значение. Если бы электроны не вращались, ваш стул уменьшился бы до мизерной части своего размера. Вы бы тоже разрушились - и это было бы наименьшей из ваших проблем.

Без вращения рухнула бы вся периодическая таблица элементов, а вместе с ней и вся химия.

Фактически, не было бы никаких молекул. Так что спин - это не просто один из трюков электронов, но и одна из самых важных характеристик частиц, «цементирующих» наш мир.

Однако, как любой хороший фокусник, электроны никому не рассказывают, как они это делают.

Но теперь на горизонте может появиться новое объяснение спина, которое приоткроет занавес и покажет, как работает квантовая магия.

Спин новой физики

Спины всегда были запутанными. Даже первые люди, разработавшие идею спина, считали, что она должна быть неправильной.

Физики нашли способ эффективно изменять спин электрона

В 1925 году два молодых голландских физика, Самуэль Гаудсмит и Джордж Уленбек, ломали голову над последними работами знаменитого теоретика Вольфганга Паули. Тот, пытаясь объяснить структуру атомных спектров и периодической таблицы, предположил, что электроны обладают "двухзначностью, не поддающейся классическому описанию".

Но Паули не указал, какому физическому свойству электрона соответствует его новая величина, и Гаудсмит с Уленбеком задались вопросом, что это может быть.

Все, что они знали, - это то, что новое значение Паули было связано с дискретными единицами хорошо известного свойства из классической ньютоновской физики, называемого угловым моментом.

Угловой момент - это просто тенденция вращающегося объекта продолжать вращаться. Это то, что заставляет юлу вращаться, а велосипеды - стоять на месте.

Чем быстрее вращается объект, тем больше у него угловой момент, но форма и масса объекта также имеют значение. Более тяжелый объект обладает большим угловым моментом, чем легкий, вращающийся с такой же скоростью объект. Вращающийся с большей массой объект обладает большим угловым моментом, а его масса зачастую не сосредоточена в центре.

Объекты могут обладать угловым моментом и без вращения. Любая вещь, вращающаяся вокруг другой вещи, например, Земля, обращающаяся вокруг Солнца, обладает некоторым угловым моментом.

 

Но Гаудсмит и Уленбек знали, что этот вид углового момента не может быть источником нового числа Паули.

Электроны действительно движутся вокруг атомного ядра, они удерживаются притяжением между их отрицательным электрическим зарядом и положительным зарядом протонов.

Но угловой момент, который получается в результате этого движения, уже был учтен и не мог быть новым значением Паули.

Физики также знали, что с электроном связаны три числа, которые соответствуют трем измерениям пространства, в котором он может двигаться. Четвертое число означало дополнительный способ, которым электрон может двигаться.

Единственным вариантом оставалось вращение самого электрона, подобно вращению Земли вокруг своей оси по орбите Солнца. Если бы электроны могли вращаться в одном из двух направлений - по часовой стрелке или против нее - это объясняло бы "двузначность" Паули.

Воодушевленные, Гаудсмит и Уленбек описали свою новую идею и показали предварительный текст статьи Полу Эренфесту, близкому другу Альберта Эйнштейна. Тот счел идею интригующей. Он посоветовал двум молодым ученым обратиться к кому-то еще: например, Хендрику Антону Лоренцуу, предвосхитившим специальную теорию относительности.

Лоренц оказался менее впечатлительным и отверг идею спина. Как он указал Уленбеку, было известно, что электрон очень мал, по крайней мере в 3000 раз меньше атома, а атомы, как уже было известно, имеют размер около десятой доли нанометра в поперечнике, что в миллион раз меньше толщины листа бумаги.

 

Поскольку электрон так мал, а его масса еще меньше - миллиардная доля миллиардной доли миллиардной доли миллиардной доли грамма - он никак не может вращаться достаточно быстро, чтобы учесть угловой момент, который искали Паули и его соратники.

Согласно логике Лоренца, электрон в таком случае должен двигаться в 10 раз быстрее скорости света, что является полным абсурдом.

Потерпев поражение, Уленбек вернулся к Эренфесту и сообщил ему новости. Он попросил ученого отменить статью, но получил ответ, что уже слишком поздно - его наставник отправил работу на публикацию.

"Вы оба достаточно молоды, чтобы позволить себе глупость", - заявил Эренфест.

И он был прав. Несмотря на то, что электрон не мог вращаться, идея спина была принята научным сообществом. Только не в первоначальной формулировке. Физики интерпретировали это открытие как подтверждение того, что электрон задает некоторый собственный угловой момент. Поэтому кажется, будто он вращается, хотя это не так. Может быть.

Спин оказался решающим в объяснении фундаментальных свойств материи. В той же работе, где он предложил свое новое двузначное число, Паули также сформулировал "принцип исключения": никакие два электрона не могут находиться в одинаковом состоянии.

Если бы это было возможно, то каждый электрон в атоме просто перешел бы в состояние с наименьшей энергией, и практически все элементы вели бы себя аналогичным образом, уничтожая химию в том виде, в котором мы ее знаем.

Иными словами, жизнь бы не существовала. Не было бы воды. Вселенная была бы просто заполнена звездами и газом, дрейфующими в скучном космосе, не встречая ни одного камня.

На самом деле, как выяснилось позже, твердая материя любого вида была бы нестабильной.

Хотя идея Паули была явно верной, оставалось непонятно, почему электроны не могут обмениваться состояниями.

Ответ на загадку был найден в спине. Вскоре было обнаружено, что спин является основным свойством всех фундаментальных частиц, а не только электронов, и что он имеет глубокую связь с групповым поведением элементарных частиц.

В 1940 году Паули и швейцарский физик Маркус Фиерц доказали, что при объединении квантовой механики и специальной теории относительности Эйнштейна неизбежно возникает связь между спином и статистическим поведением групп.

Принцип исключения Паули был лишь частным случаем теоремы о спин-статистике.

И как многие фундаментальные факты в физике, спин оказался полезен и с технологической точки зрения. Во второй половине 20-го века он был использован для разработки лазеров, объяснения поведения сверхпроводников и указания пути к созданию квантовых компьютеров.

Квантовая теория поля: в поисках электрона

Но все эти потрясающие открытия, применения и объяснения по-прежнему оставляют на столе вопрос Гаудсмита и Уленбека: что такое спин?

Если электроны должны иметь спин, но не могут вращающимися, то откуда берется угловой момент?

Хиральные молекулы и спин электрона

Стандартный ответ заключается в том, что магнитный импульс просто присущ субатомным частицам и не соответствует никакому макроскопическому понятию вращения.

Однако этот ответ удовлетворяет не всех.

"Мне никогда не нравился рассказ о спине, который вы получаете в классе квантовой механики", - говорит Чарльз Себенс, философ физики из Калифорнийского технологического института.

"Вас знакомят с ним, и вы думаете: "Ну, это странно. Они ведут себя так, будто вращаются, но на самом деле они не вращаются? Ладно. Думаю, я смогу научиться работать с этим. Но это странно".

Недавно у Себенса появилась идея.

"В рамках квантовой механики кажется, что электрон не вращается, - говорит он. - Но квантовая механика не является нашей лучшей теорией природы. Квантовая теория поля - более глубокая и точная теория".

Квантовая теория поля - это место, где квантовый мир встречается с самым известным уравнением в мире: E = mc2, демонстрирующем, что материя может превращаться в энергию и наоборот.

Благодаря этой способности часто создаются новые частицы, а существующие элемнты могут распадаться на что-то другое.

Квантовая теория поля справляется с многими вызовами, описывая частицы как возникающие из полей, которые пронизывают все пространство, и даже пустое пространство. Эти поля позволяют частицам появляться и исчезать, в соответствии как со строгими диктатами специальной теории относительности Эйнштейна, так и с вероятностными законами квантового мира.

И именно эти поля, по мнению Себенса, могут содержать решение загадки спина.

"Электрон обычно рассматривается как частица, - поясняет он свою мысль. - Но в квантовой теории поля для каждой частицы существует отдельное поле".

В частности, электрон можно трактовать как возбуждение в квантовом поле, поле Дирака, и это поле может быть тем, что передает спин электрона.

"В поле Дирака происходит реальное вращение энергии и заряда, - продолжает Себенс. - Если угловой момент находится именно там, то проблема вращения электрона быстрее скорости света исчезает; область поля, несущая спин электрона, намного больше, чем сам якобы точечный электрон".

Так что, согласно Себенсу, в некотором смысле Паули и Лоренц были правы: вращающейся частицы не существует. Есть вращающееся поле, и именно оно порождает частицы.

Идея Себенса. Научная теория или "дело вкуса"?

Пока что от идеи Себенса идет рябь, а не волны. Когда речь заходит о том, вращаются ли электроны, "я не думаю, что это вопрос, на который можно ответить", - говорит Марк Средницки, физик из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.

"Мы берем концепцию, которая возникла в обычном мире, и пытаемся применить ее там, где она не совсем применима. Я думаю, что это просто вопрос выбора, определения или вкуса, но электрон действительно вращается".

Ханс Оганян, физик из Университета Вермонта, отмечает, что первоначальная версия идеи Себенса не работает для антиматерии.

Но не все физики так пренебрежительно относятся к теории Себенса.

"Традиционная формулировка упускает нечто потенциально важное", - думает Шон Кэрролл, физик из Университета Джона Хопкинса и Института Санта-Фе.

"Себенс находится на правильном пути или, по крайней мере, делает что-то очень, очень полезное в том смысле, он очень серьезно относится к полевым свойствам квантовой теории поля".

Но, отмечает Кэрролл, "физики, по своей сути, прагматики. Если Себенс прав на 100 процентов, физики скажут: "Ладно, что это мне даст?".

Пока рано говорить о том, принесет ли работа Себенса научные плоды. И хотя он написал статью о том, как разрешить проблему Оганяна, касающуюся антиматерии, остаются и другие вопросы.

По словам Себенса, "есть много причин для того, чтобы идея поля понравилась".

"Я воспринимаю это скорее как вызов, чем как аргумент против".