Spinin outo kvanttiominaisuus

elektroni

Massan ja varauksen lisäksi elektroneilla on myös outo kvanttiominaisuus, jota kutsutaan spiniksi. Luottamus: Pietro Zuco/ Flickr -)



Paul Sutter on astrofyysikko Ohion osavaltion yliopisto ja johtava tiedemies COSI -tiedekeskus . Sutter on myös isäntänä Kysy avaruusmieheltä ja Avaruusradio ja johtaa AstroTours maailman ympäri. Sutter julkaisi tämän artikkelin guesswhozoo.comin Expert Voices: Op-Ed & Insights -lehdessä.



Luulisi, että elektroneja olisi tarpeeksi helppo kuvata. Massamaksu. Hyvä mennä. Näitä kahta pientä numeroa voidaan käyttää kuvaamaan koko joukko sähkömagneettisia ilmiöitä. Mutta tutkijat ovat oppineet, että nämä hiukkaset ovat paljon monimutkaisempia.

Tämä tuli selväksi, kun Otto Stern ja Walther Gerlach ampuivat hopeatomeja vaihtelevan magneettikentän läpi vuonna 1922 ja näkivät jotain, mitä he eivät voineet selittää. Asennus vaati hopeatomeja, jotka olivat sähköisesti neutraaleja - elektronien varaus tasapainotti täydellisesti protonien varauksen. Jos suoritat tämän kokeen etkä tiedä mitään kvanttimekaniikasta (a la Stern ja Gerlach), saatat odottaa yhtä kahdesta tuloksesta. [5 kekseliäintä tähtitieteen ja fysiikan kokeilua]



Kaikkein tylsimmässä tuloksessa atomien neutraalisuus mitätöi kaiken vuorovaikutuksen magneettikentän kanssa ja ne purjehtivat suoraan laitteen läpi vilkkumatta.

Kuitenkin, jos atomin komponentit käyttäytyisivät kuin pienet metallipallot, joilla ei ollut pelkästään massaa ja varausta, vaan jotka voisivat myös pyöriä omalla akselillaan, niin tämä kulmamomentti todellakin olisi vuorovaikutuksessa ympäröivän magneettikentän kanssa muodostaen vääntömomentin . Tämä on täysin normaali ja tunnettu sähkömagneettinen vaikutus, jota voit kokeilla kotona olettaen, että sinulla on voimakkaat magneettikentät ja nopeasti pyörivät metallipallot.

Koska jokaisella atomilla olisi satunnainen vääntömomentti satunnaisessa suunnassa, tämä vuorovaikutus levittäisi atomien liikeradat ja lähettäisi ne roiskumaan näyttöä vasten magneettikentästä poistumisen jälkeen.



Stern ja Gerlach olivat yllättyneitä, koska he eivät saaneet kumpaakaan.

Haarukan ottaminen tielle

Sen sijaan kaksi saksalaista tiedemiestä joutuivat tuijottamaan kahta erillistä talletetun hopeatomin täplää. Sen sijaan, että kulkisi suorassa linjassa ja levittäytyisi tasaisesti, näytti siltä, ​​että hopea -atomit olivat salanneet erota kahdeksi erilliseksi leiriksi, joista toinen oli ylöspäin ja toinen alas.

Kokeilijat olivat todistamassa yhtä ensimmäisistä vihjeistä, että subatominen valtakunta toimii sääntöjen mukaan, jotka ovat kaukana tutuista. Tässä tapauksessa, kvanttivaikutuksia olivat täydellä voimalla, ja tutkijat huomasivat pian, että atomeilla (tai tarkemmin sanottuna, hiukkasilla, jotka sisältävät atomeja) on aiemmin tuntematon ominaisuus, joka paljastuu vain magneettikentän läsnä ollessa.



Ja koska nuo atomit käyttäytyivät kuin sähköisesti varautuneesta metallista pyörivät pallot, tätä uutta ominaisuutta kutsuttiin spiniksi. Ja niin elektronihiukkasilla oli yhtäkkiä kolme ominaisuutta: massa, varaus ja spin.

Otetaan se 'pyöräytykseen'

Ja aivan kuten massa ja varaus, voimme suorittaa kokeita selvittääksemme spin -ominaisuuden luonteen ja sen, miten se on vuorovaikutuksessa maailmankaikkeuden muiden voimien ja hiukkasten kanssa. Ja käy ilmi, että spinillä on todellakin outoja ominaisuuksia.

Toisaalta tietyn hiukkasen spinin suuruus on kiinteä. Määritelmän mukaan elektronien spin on 1/2. Muiden hiukkasten spin voi olla 1, 3/2, 2 tai jopa 0. Ja hiukkasen spinin suuruus määrää sen, mitkä spin -suunnat voimme todella mitata.

Esimerkiksi spin 1/2 -hiukkasen, kuten elektronin, voidaan koskaan mitata olevan vain +1/2 tai -1/2, mikä vastaa Stern -Gerlach -kokeen poikkeamia ylös ja alas. Spin 1 -hiukkasella, kuten fotonilla, voidaan mitata suunnat +1, 0 tai -1, ja siinä kaikki. Tiedän, että tämä on hämmentävä merkintä, mutta sinun on syytä syyttää fyysikkoja, jotka kuvailivat sitä ensimmäisen kerran sata vuotta sitten.

Muista, että pyörimissuunta voi osoittaa mihin tahansa - kuvittele pieni nuoli jokaiseen hiukkaseseen. Nuolen pituus on kiinteä jokaiselle hiukkaslajille, mutta meillä vain sallitaan semitatarajoitettu määrä ohjeita. Jos nuoli osoittaa jopa hieman ylöspäin, se rekisteröidään kaikissa kokeissa nimellä +1/2. Jos se on hieman alas tai hyvin alas, sillä ei ole väliä, saamme -1/2. Ja siinä kaikki.

Se on kuin maailman hyödytön GPS -navigointi: Sen sijaan, että annat tarkat reittiohjeet, sinulle kerrotaan vain: 'Mene pohjoiseen 500 askelta' tai 'Mene etelään 500 askelta'. Onnea ravintolan löytämiseen.

Rajaan vieminen

Juuri siellä on kvanttimekaniikan kiusallinen luonne: se rajoittaa olennaisesti kykyämme mitata asioita pienessä mittakaavassa.

Riittävän kokeilun jälkeen spin -säännöt lisättiin tutkijoiden kvanttifysiikan tietämykseen, jota kehitettiin samanaikaisesti 1920 -luvulla. Mutta se ei ollut aivan luonnollinen sovitus. Useimpien ihmisten tuntema kvanttimaailman muotoilu - esimerkiksi kuuluisa Schrodingerin aaltoyhtälö, jonka avulla voimme laskea hiukkasten sijaintien todennäköisyydet - ei luonnollisesti sisällä spin -käsitettä.

Ongelmat johtuvat lähestymistavasta, jonka Erwin Schrodinger otti selvittääkseen kaiken tämän kvanttitoiminnan. 1920 -luvun alussa Einsteinin suhteellisuusteoria oli jo vanha uutinen, ja fyysikot tiesivät, että minkä tahansa fysiikan lain on sisällytettävä se. Mutta kun Schrodinger kirjoitti yhtälöstään relativistisesti oikean version, hän ei voinut tehdä siitä päätä tai häntää ja hylkäsi sen vähemmän oikean, mutta silti toimivan version puolesta, jonka me tunnemme ja rakastamme. Vaikka Schrodingerin kuva kvanttimekaniikasta on uskomattoman hyödyllinen, se ei automaattisesti sisällä mitään spin -kuvausta - siihen on puututtava tyylikkäästi.

Mutta samaan aikaan eräs teoreettinen fyysikko nimeltä Paul Adrien Maurice Dirac oli myös hämmentänyt kvanttimaailmaa ja lähti täyteen tyyliin lähestymistavalla kvanttimekaniikkaan, joka sisälsi erikoisuhteellisuusteorian. Ja toisin kuin hänen ystävänsä Erwin, hän pystyi murtamaan matemaattisen koodin ja selvittämään sen seuraukset. Yksi niistä vaikutuksista kvanttimekaniikan yhdistämisessä erityiseen suhteellisuusteoriaan oli - arvasit sen - spin. Hänen matematiikkaansa sisältyi automaattisesti spin -kuvaus. Jos hän olisi selvittänyt sen muutama vuosi ennen Sternin ja Gerlachin kokeiluja, hän olisi voinut ennustaa niiden tulokset!

Sen sijaan löysimme kvanttikierroksen kokeiden avulla, mutta Dirac opetti meille, että ymmärtääksemme tämän outon hiukkasominaisuuden meidän on asetettava itsemme täysin relativistiseen ja kvanttiseen mielentilaan. Niin houkuttelevalta kuin se voi olla, meidän on hylättävä kokonaan ajatukset siitä, että subatomiset hiukkaset ovat pieniä, pieniä pyöriviä metallipalloja; Heidän käyttäytymisensä on paljon monimutkaisempaa kuin metafora voisi ehdottaa. Itse asiassa luultavasti ei ole lainkaan hyödyllisiä vertauskuvia.

Tästä arvoituksellisesta ominaisuudesta ei yksinkertaisesti ole klassista kuvausta. Sen sijaan spin on universumimme perusominaisuus, joka ilmenee vain kvanttimekaniikan ja erikoisrelatiivisuuden leikkauspisteessä ilman makroskooppisia metaforia. Vain Diracin matemaattisen koneiston avulla voimme tehdä ennusteita spin -käyttäytymisestä, jota tarvitsemme fysiikan tekemiseen. Näin meillä on valitettava tapaus, jossa ainoa tapa vastata kysymykseen 'Mikä on spin?' on vain osoittaa Diracin matematiikkaa ja kohauttaa olkiaan.

Lisätietoja kuuntelemalla jakson 'Kuinka meidän on ymmärrettävä kvanttipyöräytys?' Ask A Spaceman -podcastissa, saatavilla osoitteessa iTunes ja verkossa osoitteessa http://www.askaspaceman.com . Kiitos Dean B., Pete E., @nirbnz, Kari Kale ja @sowjuinil kysymyksiin, jotka johtivat tähän kappaleeseen! Esitä oma kysymyksesi Twitterissä käyttämällä #AskASpacemania tai seuraamalla Paavalia @PaulMattSutter ja facebook.com/PaulMattSutter . Seuraa meitä @Spacedotcom , Facebook ja Google+ . Alkuperäinen artikkeli aiheesta guesswhozoo.com .