Для большинства из нас диаграммы атомов как крошечных солнечных систем служат введением в мир физики элементарных частиц. К сожалению, эти знаковые изображения чаще ошибаются, чем верны.
Во-первых, электроны не похожи на крошечные планеты, вращающиеся вокруг неровного Солнца. Вероятно, это даже не крошечные сферы, а скорее уколы в пространстве без ширины, высоты и глубины.
А поскольку у объекта нет ширины, у него нет ничего, что могло бы вращаться.
Так что же физики имеют в виду, когда описывают «вращение» частицы?
Почему мы думаем, что электроны вращаются?
На заре квантовой механики ряд физиков размышляли над тем, действительно ли частицы, подобные электронам, вращаются вокруг своей оси. Хотя эта идея не совсем соответствовала существующим теориям поведения электронов, было несколько наблюдений в экспериментах и незначительные пробелы в теории, которые говорили об обратном.
Одним из них является тот факт, что траектория электрона изгибается при столкновении с магнитным полем, как если бы он сам был крошечным магнитом. Само по себе это не шокирует – в конце концов, движущиеся заряды создают магнитные поля.
Но когда в начале 1920-х годов два немецких учёных по имени Отто Штерн и Вальтер Герлах измерили это поле в электронах, вращающихся вокруг ядра атомов серебра, они обнаружили, что цифры не складываются. Чтобы это имело смысл, электроны также должны были двигаться на месте – они должны были вращаться.
Как ни странно, результаты показали, что такое вращение создает небольшие магнитные поля очень специфической ориентации, строго направленные вверх или вниз по отношению к внешнему магнитному полю. Они никогда не были случайно наклонены в ту или иную сторону.
Тем временем теоретик по имени Вольфганг Паули работал над принципом, который помог объяснить, почему некоторые частицы (например, электроны и частицы в ядре атома) не могут располагаться друг над другом, занимая одно и то же пространство, в то время как другие (например, фотоны) могут .
Его «принцип исключения» требовал набора из четырех квантовых чисел. Один описал энергию частицы. Два других были связаны с угловым моментом. Но четвертое, похоже, не имело отношения к чему-то очевидному.
Молодой американский учёный голландского происхождения по имени Сэмюэл Гаудсмит вскоре дал ответ. Применяя новые интерпретации формул о спектральных линиях в магнитных полях, называемых дублетами, он невольно обнаружил доказательства движения электронов, которые странно напоминали вращение. Не то чтобы он увидел это сразу — потребовалось много долгих бесед с другим молодым голландско-американским физиком по имени Джордж Уленбек, чтобы прояснить это.
«Но разве вы не понимаете, что это означает? Это означает, что у электрона существует четвертая степень свободы», — ответил Уленбек знаменито.
«Это означает, что электрон имеет спин, что он вращается».
Хотя они не были первыми, кто рассматривал эту концепцию, этот разговор, наряду с результатами таких теорий и экспериментов, привел к четкому выводу о том, что электроны — среди других фундаментальных частиц — вращаются.
Но в кроличьей норе квантовой механики все не может быть так просто.
Почему электроны не могут вращаться?
Даже когда термин «спин» использовался для описания странного магнетизма электронов и странных свойств света, существовало несколько проблем.
Если бы мы предположили, что электроны действительно являются крошечными сферами, скорость, с которой им пришлось бы вращаться, чтобы соответствовать экспериментальным результатам, означала бы, что их поверхность должна вращаться в десять раз быстрее, чем скорость света.
Конечно, сейчас считается, что у электронов нет поверхности. Однако знание того, что фундаментальные частицы являются точками в поле, не делает это более интуитивным. Как вообще разворачивается нульмерная точка?
Еще более запутанными являются эксперименты, проведенные Штерном и Герлахом, которые всегда указывают только на два абсолютных направления. Различную ориентацию крошечного магнита частицы «полностью вверх» и «полностью вниз» нелегко объяснить вращающимся трехмерным объектом, который может наклоняться немного в ту или иную сторону или ускоряться и замедляться.
Другими словами, тип вращения электронов не имеет эквивалента в нашем мире волчков, баскетбольных мячей и планет.
Это может иметь аналогичные последствия: частицы будут искривляться так, как будто они обладают собственным угловым моментом, и превращаться в странный вид стержневого магнита. Но каким бы ни было «вращение», это фундаментальное свойство, встроенное в саму ткань нашей Вселенной.
Проверка фактов определяет, что все объяснительные материалы являются правильными и актуальными на момент публикации. Текст и изображения могут быть изменены, удалены или добавлены по редакционному решению для поддержания актуальности информации.
No comments:
Post a Comment