За повечето от нас диаграмите на атомите като малки слънчеви системи служат за въведение в света на физиката на частиците. За съжаление, тези емблематични изображения са по-скоро погрешни.

От една страна, електроните не са като малки планети, обикалящи около бучкоподобно слънце. Вероятно те дори не са малки сфери, а по-скоро точици в пространството без ширина, височина или дълбочина.

А като обект без широчина, той няма нищо, което да може да се върти.

И така, какво имат предвид физиците, когато описват "въртенето" на една частица?

Защо смятаме, че електроните се въртят?

В зората на квантовата механика редица физици започват да се питат дали частици като електроните всъщност се въртят. Въпреки че идеята не се вписва точно в съществуващите теории за поведението на електроните, съществуват няколко наблюдения при експерименти и пропуски в теорията, които говорят за обратното.

Едно от тях е фактът, че пътят на електрона се изкривява, когато той се сблъска с магнитно поле, сякаш самият той е малък магнит. Това само по себе си не е шокиращо - движещите се заряди все пак създават магнитни полета.

Но когато в началото на 20-те години на миналия век двама немски учени на име Ото Щерн и Валтер Герлах измерват това поле в електроните, обикалящи около ядрото на сребърни атоми, те откриват, че нещо не е както трябва. За да има смисъл всичко, електроните трябвало и да се движат на място - да се въртят.

Странното е, че резултатите показват, че такова въртене създава малки магнитни полета с много специфична ориентация, строго насочени право нагоре или право надолу по отношение на външното магнитно поле. Те никога не са били произволно наклонени в една или друга посока.

Междувременно един теоретик на име Волфганг Паули работи върху принцип, който помага да се обясни защо някои частици (като електроните и частиците в ядрото на атома) не могат да се разположат една върху друга, заемайки едно и също пространство, докато други (като фотоните) могат.

Неговият "принцип на изключването" изисква набор от четири квантови числа. Едно от тях описва енергията на частицата. Други две са свързани с ъгловия момент. Но четвъртото, изглежда, не се отнася до нищо очевидно.

Млад американски учен от холандски произход на име Самюел Гудсмит тепърва ще да даде отговора. Като прилага нови тълкувания на формулите за спектралните линии в магнитни полета, наречени дублети, той неволно открива доказателства за движение в електроните, което до голяма степен наподобява спин (след дълги консултации с друг млад холандско-американски физик на име Джордж Уленбек).

"Но не виждате ли какво означава това? Това означава, че електронът има четвърта степен на свобода" - отговорил Уленбек. "Това означава, че електронът има спин, че се върти."

Въпреки че не са първите, които разглеждат тази концепция, разговорът, заедно с резултатите от подобни теории и експерименти, създават ясен аргумент за въртенето на електроните - наред с други фундаментални частици.

Но нищо не може да бъде толкова просто в заешката дупка на квантовата механика.

Защо електроните не могат да се въртят?

Още когато терминът "спин" започва да се използва за описание на странния магнетизъм на електроните и странните свойства на светлината, се появяват няколко проблема.

Ако приемем, че електроните наистина са малки сфери, скоростта, с която те трябва да се въртят, за да съответстват на експерименталните резултати, би означавала, че повърхността им трябва да се върти десет пъти по-бързо от скоростта на светлината.

Разбира се, сега се смята, че електроните нямат повърхност. Знанието, че фундаменталните частици са точки в полето, обаче не прави нещата по-интуитивни. Как изобщо една точка с нулево измерение се завърта?

Още по-объркващи са експериментите, проведени от Стърн и Герлах, които винаги сочат само в две абсолютни посоки. Различните ориентации "напълно нагоре" и "напълно надолу" на малкия магнит на частицата не се обясняват лесно с въртящ се триизмерен обект, който може да се накланя по малко ту насам, ту натам или да се ускорява и забавя.

С други думи, въртенето, което се наблюдава в електроните, няма еквивалент в нашия свят на баскетболни топки и планети.

То може да има подобни последици, като накара частиците да се изкривят така, сякаш имат вътрешен ъглов момент, и да ги превърне в странен вид бар магнит. Но какъвто и да е "спинът", той е фундаментално свойство, вплетено в самата тъкан на нашата Вселена.

Източник: Science Alert