המאפיין הקוונטי המוזר של 'ספין'

אֶלֶקטרוֹן

מלבד מסה ומטען, לאלקטרונים יש גם תכונה קוונטית מוזרה הנקראת 'ספין'. (אשראי תמונה: פייטרו צוקו/ פליקר -)



פול סאטר הוא אסטרופיסיקאי ב אוניברסיטת מדינת אוהיו והמדען הראשי ב מרכז המדע COSI . סאטר מארח גם הוא תשאל איש חלל ו רדיו חלל , ומוביל AstroTours מסביב לעולם. סאטר תרם מאמר זה לקולות המומחים של demokratija.eu: Op-Ed & Insights.



היית חושב שלאלקטרונים יהיה קל מספיק לתאר. תשלום מסה. מוכן ללכת. ניתן להשתמש בשני מספרים קטנים אלה לתיאור שלל שלם של תופעות אלקטרומגנטיות. אבל חוקרים למדו שחלקיקים אלה הרבה יותר מסובכים מזה.

זה התברר כאשר אוטו שטרן וולטר גרלאך ירו כמה אטומי כסף דרך שדה מגנטי מגוון בשנת 1922 וראו משהו שהם לא יכולים להסביר. ההתקנה דרשה אטומי כסף שהיו ניטרליים מבחינה חשמלית - כאשר מטען האלקטרונים שלהם מאזן באופן מושלם את זה של הפרוטונים. אם היית מפעיל את הניסוי הזה ואינך יודע דבר על מכניקת הקוונטים (א לה שטרן וגרלאך), ייתכן שתצפה לאחת משתי תוצאות. [5 הניסויים הגאוניים ביותר באסטרונומיה ובפיזיקה]



בתוצאה המשעממת ביותר האפשרית, הניטרליות של האטומים תבטל כל אינטראקציה עם השדה המגנטי, והם היו מפליגים בקו ישר דרך המנגנון מבלי למצמץ אפילו.

עם זאת, אם מרכיבי האטום היו מתנהגים כמו כדורי מתכת קטנים שאין להם רק מסה ומטענים, אלא גם יכולים להסתובב על צירם שלהם, אז המומנטום הזוויתי הזה אכן יתקשר עם השדה המגנטי שמסביב ויוצר מומנט. . זהו אפקט אלקטרומגנטי רגיל וידוע לחלוטין שתוכל לנסות בבית, בהנחה שיש לך שדות מגנטיים חזקים וכדורי מתכת מסתובבים במהירות.

מכיוון שלכל אטום בודד יהיה מומנט אקראי בכיוון אקראי, אינטראקציה זו תפזר את מסלולי האטומים, ותשלח אותם להתזז נגד מסך לאחר יציאה מהשדה המגנטי.



שטרן וגרלאך הופתעו כי לא קיבלו אף אחד.

לוקח מזלג בכביש

במקום זאת, מצאו עצמם שני המדענים הגרמניים בוהים בשתי כתמים מובחנים של אטומי כסף שהופקדו. במקום ללכת בקו ישר, ובמקום להתפשט באופן שווה, נראה כי אטומי הכסף קשרו קשר להפריד את עצמם לשני מחנות נפרדים, כאשר קבוצה אחת עולה למעלה והשנייה יורדת.

הנסיינים היו עדים לאחד הרמזים הראשונים בפנייך שהתחום התת-אטומי פועל על פי כללים רחוקים מהמוכרים. במקרה הזה, השפעות קוונטיות היו במלוא עוצמתם, ועד מהרה הבינו החוקרים שלאטומים (או ליתר דיוק, החלקיקים המרכיבים אטומים) יש תכונה לא ידועה שחושפת את עצמה רק בנוכחות שדה מגנטי.



ומכיוון שהאטומים האלה התנהגו ככדורים מסתובבים של מתכת טעונה בחשמל, נכס חדש זה כונה 'ספין'. ולכן לפתע היו לחלקיקים כמו אלקטרונים שלוש תכונות: מסה, מטען וספין.

מוציאים אותו לסיבוב

ובדיוק כמו מסה ומטען, אנו יכולים לבצע ניסויים כדי לגלות את אופיו של נכס הספין וכיצד הוא מתקשר עם הכוחות והחלקיקים האחרים ביקום. ומתברר שלספין יש כמה תכונות די מוזרות.

ראשית, גודל הספין של חלקיק מסוים קבוע. בהגדרה, לאלקטרונים יש ספין שווה ל- 1/2. לחלקיקים אחרים עשוי להיות ספין של 1, 3/2, 2 או אפילו 0. וגודל הסחרור של חלקיק קובע אילו כיוונים של הספין אנו יכולים למדוד בפועל.

לדוגמה, חלקיק ספין 1/2 כמו אלקטרון יכול להימדד רק כ -1/2 או -1/2, המתאים להסטות מעלה ומטה של ​​ניסוי שטרן -גרלאך. חלקיק ספין 1, כגון פוטון, יכול להימדד כבעל כיוונים +1, 0 או -1, וזהו. אני יודע שזה סימן מבלבל, אבל תצטרך להאשים את הפיזיקאים שתיארו אותו לראשונה לפני מאה שנים.

זכור כי הכיוון האמיתי של הספין יכול להצביע לכל מקום - דמיין חץ קטן המתויג על כל חלקיק וחלקיק. אורך החץ קבוע לכל סוג של חלקיק, אך מותר לנו רק אי פעםמידהמספר כיוונים מוגבל. אם החץ מצביע אפילו מעט למעלה הוא יירשם בכל ניסוי כ -1/2. אם זה קצת ירד או מאוד ירד, זה לא משנה, אנחנו מקבלים -1/2. וזה הכל.

זה כמו ניווט ה- GPS הכי חסר תועלת בעולם: במקום לתת לך כיוונים מדויקים, אומרים לך רק 'צפונה 500 מדרגות', או 'דרומה 500 מדרגות'. בהצלחה במציאת המסעדה.

לוקחים את זה לגבול

זה בדיוק האופי המורכב של מכניקת הקוונטים: זה מגביל ביסודו את היכולת שלנו למדוד דברים בקני מידה קטנים.

לאחר מספיק ניסויים נוספו 'כללי' הספין לידע המדענים על פיזיקת הקוונטים, במקביל פותחו בשנות העשרים. אבל זה לא היה בדיוק התאמה טבעית. ניסוח העולם הקוונטי שרוב האנשים מכירים - למשל, משוואת גל שרדינגר המפורסמת המאפשר לנו לחשב הסתברויות של מיקומי חלקיקים - אינו כולל באופן טבעי את מושג הספין.

הצרה נובעת מהגישה שארווין שרדינגר נקט כשהלך להבין את כל העסק הקוונטי הזה. בתחילת שנות העשרים, תורת היחסות המיוחדת של איינשטיין כבר הייתה חדשות ישנות, והפיזיקאים ידעו שכל חוק פיזיקה חייב לשלב זאת. אבל כששרדינגר כתב גרסה נכונה יחסית של המשוואה שלו, הוא לא יכול היה ליצור ממנה ראשים או זנבות, ונטש אותה מהגרסה הפחות נכונה, אך עדיין מעשית, שאנו מכירים ואוהבים. אף על פי שהיא שימושית להפליא, תמונתו של שרדינג'ר של מכניקת הקוונטים אינה כוללת באופן אוטומטי תיאור של ספין - יש להתייחס אליה באופן לא -אלגנטי.

אבל בערך באותו זמן, פיזיקאי תיאורטי מסוים בשם פול אדריאן מוריס דיראק גם תמה את העולם הקוונטי והשתולל בגישה למכניקת הקוונטים שכללה תורת היחסות המיוחדת. ובניגוד לחברו ארווין, הוא הצליח לפצח את הקוד המתמטי ולברר את ההשלכות שלו. אחת ההשלכות של איחוד מכניקת הקוונטים עם תורת היחסות המיוחדת הייתה - ניחשתם נכון - ספין. המתמטיקה שלו כללה אוטומטית תיאור של ספין. אם הוא היה מצליח כמה שנים לפני הניסויים של שטרן וגרלאך, הוא יכול היה לחזות את תוצאותיהם!

במקום זאת גילינו את הסחרור הקוונטי באמצעות ניסויים, אך דיראק לימד אותנו שכדי להבין את תכונת החלקיקים המוזרה הזו עלינו להכניס את עצמנו למצב נפשי רלטיביסטי וקוונטי לחלוטין. עד כמה שזה מפתה, עלינו להשליך לחלוטין את כל המחשבות על חלקיקים תת -אטומיים שהם כדורי מתכת זעירים וקטנים; ההתנהגות שלהם הרבה יותר מורכבת ממה שהמטפורה יכולה להציע. אכן, כנראה שאין מטאפורות שימושיות כלל.

פשוט אין תיאור קלאסי של הנכס האניגמטי הזה. במקום זאת, ספין הוא מאפיין יסודי של היקום שלנו, המתבטא רק בצומת של מכניקת הקוונטים ותורת היחסות המיוחדת, ללא מטאפורות מקרוסקופיות. רק באמצעות המנגנון המתמטי של דיראק אנו יכולים לבצע תחזיות לגבי התנהגויות ספין שאנו זקוקים להן בכדי לבצע פיזיקה. כך יש לנו מקרה מצער שבו הדרך היחידה לענות על השאלה 'מהו ספין?' הוא פשוט להצביע על המתמטיקה של דיראק ולמשוך בכתפיו.

למידע נוסף על ידי האזנה לפרק 'כיצד עלינו להבין את הספין הקוונטי?' בפודקאסט Ask A Spaceman, זמין ב- iTunes ובאינטרנט ב http://www.askaspaceman.com . תודה לדין ב ', פיט א', @נירבנץ, קארי קייל ו- @sowjuinil על השאלות שהובילו ליצירה זו! שאל את השאלה שלך בטוויטר באמצעות #AskASpaceman או עקוב אחרי פול @PaulMattSutter ו facebook.com/PaulMattSutter . עקוב אחרינו @Spacedotcom , פייסבוק ו Google+ . מאמר מקורי בנושא demokratija.eu .