خاصية الكم الغريبة لـ 'Spin'

إلكترون

إلى جانب الكتلة والشحنة ، تتمتع الإلكترونات أيضًا بخاصية كمية غريبة تسمى 'الدوران'. (رصيد الصورة: بيترو زوكو / فليكر -)





بول سوتر هو عالم فيزياء فلكية في جامعة ولاية أوهايو وكبير العلماء في مركز العلوم COSI . سوتر هو أيضا مضيف اسأل رائد فضاء و راديو الفضاء ، ويؤدي AstroTours حول العالم. ساهم سوتر بهذا المقال في أصوات الخبراء في ProfoundSpace.org: Op-Ed & Insights.

قد تعتقد أن الإلكترونات سيكون من السهل وصفها. الكتلة. المسؤول. جاهز للمضي. يمكن استخدام هذين الرقمين الصغيرين لوصف مجموعة كاملة من الظواهر الكهرومغناطيسية. لكن الباحثين تعلموا أن هذه الجسيمات أكثر تعقيدًا من ذلك بكثير.

أصبح ذلك واضحًا عندما أطلق أوتو ستيرن ووالثر جيرلاخ بعض ذرات الفضة من خلال مجال مغناطيسي متنوع في عام 1922 ورأوا شيئًا لا يمكنهم تفسيره. تطلب الإعداد وجود ذرات فضية محايدة كهربائيًا - حيث كانت شحنة إلكتروناتها متوازنة تمامًا مع شحنة البروتونات. إذا كنت ستجري هذه التجربة ولا تعرف شيئًا عن ميكانيكا الكم (مثل لا ستيرن وجيرلاخ) ، فقد تتوقع إحدى النتيجتين. [التجارب الخمس الأكثر إبداعًا في علم الفلك والفيزياء]



في النتيجة الممكنة الأكثر مملة ، فإن حيادية الذرات ستبطل أي تفاعل مع المجال المغناطيسي ، وسوف تبحر في خط مستقيم عبر الجهاز دون حتى وميض.

ومع ذلك ، إذا كانت مكونات الذرة تتصرف مثل كرات معدنية صغيرة ليس لها كتلة وشحنة فحسب ، بل يمكنها أيضًا أن تدور حول محورها ، فإن هذا الزخم الزاوي سيتفاعل بالفعل مع المجال المغناطيسي المحيط ، مما ينتج عنه عزم دوران . هذا تأثير كهرومغناطيسي طبيعي تمامًا ومعروف يمكنك تجربته في المنزل ، بافتراض أن لديك مجالات مغناطيسية قوية وكرات معدنية تدور بسرعة.

نظرًا لأن كل ذرة فردية سيكون لها عزم دوران عشوائي في اتجاه عشوائي ، فإن هذا التفاعل سينشر مسارات الذرات ، مما يؤدي إلى تناثرها على شاشة بعد الخروج من المجال المغناطيسي.



تفاجأ ستيرن وجيرلاخ لأنهما لم يحصلوا على أي منهما.

أخذ مفترق طرق في الطريق

وبدلاً من ذلك ، وجد العالمان الألمان نفسيهما يحدقان في بقعتين متميزتين من ذرات الفضة المترسبة. بدلاً من السير في خط مستقيم ، وبدلاً من الانتشار بشكل متساوٍ ، بدا أن ذرات الفضة تآمرت لفصل نفسها إلى معسكرين مختلفين ، حيث تتجه مجموعة واحدة للأعلى والأخرى تنخفض.

كان المجربون يشهدون واحدة من أولى القرائن في وجهك على أن العالم دون الذري يعمل على قواعد بعيدة كل البعد عن القواعد المألوفة. في هذه الحالة، التأثيرات الكمية في القوة الكاملة ، وسرعان ما أدرك الباحثون أن الذرات (أو بشكل أكثر دقة ، الجسيمات التي تتكون منها الذرات) لها خاصية غير معروفة سابقًا لا تكشف عن نفسها إلا في وجود مجال مغناطيسي.



وبما أن تلك الذرات تصرفت ككرات دوارة من معدن مشحون كهربائيًا ، فقد أُطلق على هذه الخاصية الجديدة اسم 'الدوران'. وهكذا أصبح للجسيمات مثل الإلكترونات فجأة ثلاث خصائص: الكتلة والشحنة والدوران.

إخراجها من أجل 'الدوران'

ومثل الكتلة والشحنة ، يمكننا إجراء تجارب لاكتشاف طبيعة خاصية الدوران وكيفية تفاعلها مع القوى والجسيمات الأخرى في الكون. واتضح أن للسبين بعض الخصائص الغريبة بالفعل.

أولاً ، مقدار دوران جسيم معين ثابت. بالتعريف ، فإن الإلكترونات لها دوران يساوي 1/2. قد يكون لف الجسيمات الأخرى 1 أو 3/2 أو 2 أو حتى 0. ويحدد حجم دوران الجسيم اتجاهات الدوران التي يمكننا قياسها بالفعل.

على سبيل المثال ، لا يمكن قياس دوران جسيم نصف دائري مثل الإلكترون إلا ليكون +1/2 أو -1/2 ، بما يتوافق مع الانحرافات لأعلى ولأسفل في تجربة ستيرن-جيرلاخ. يمكن قياس جسيم الدوران 1 ، مثل الفوتون ، ليكون له اتجاهات +1 ، 0 ، أو -1 ، وهذا كل شيء. أعلم أنه تدوين محير ، لكن عليك إلقاء اللوم على علماء الفيزياء الذين وصفوها لأول مرة منذ مائة عام.

ضع في اعتبارك أن الاتجاه الفعلي للدوران يمكن أن يشير إلى أي مكان - تخيل سهمًا صغيرًا موضوعًا على كل جسيم. يتم تحديد طول هذا السهم لكل نوع من الجسيمات ، ولكن لا يُسمح لنا بذلك إلا على الإطلاق قياس عدد محدود من الاتجاهات. إذا كان السهم يشير إلى أعلى قليلاً ، فسيتم تسجيله في أي تجربة على أنه +1/2. إذا كان منخفضًا قليلاً أو منخفضًا جدًا ، لا يهم ، نحصل على -1/2. وهذا كل شيء.

إنه يشبه أكثر ملاحة GPS عديمة الفائدة في العالم: بدلاً من إعطائك اتجاهات دقيقة ، يتم إخبارك فقط ، 'اذهب شمالًا 500 خطوة' أو 'اذهب جنوبًا 500 خطوة'. حظا سعيدا في العثور على هذا المطعم.

أخذها إلى أقصى حد

هذا صحيح هناك الطبيعة المشوشة لميكانيكا الكم: إنها تحد بشكل أساسي من قدرتنا على قياس الأشياء على مقاييس صغيرة.

بعد إجراء تجارب كافية ، تمت إضافة 'قواعد' الدوران إلى معرفة العلماء بفيزياء الكم ، والتي تم تطويرها في نفس الوقت في عشرينيات القرن الماضي. لكنها لم تكن مناسبة بشكل طبيعي. إن صياغة العالم الكمي الذي يعرفه معظم الناس - على سبيل المثال ، معادلة شرودنجر الشهيرة التي تسمح لنا بحساب احتمالات مواقع الجسيمات - لا تتضمن مفهوم الدوران بشكل طبيعي.

تنبع المشكلة من النهج الذي اتبعه إروين شرودنجر عندما ذهب لاكتشاف كل هذا العمل الكمي. بحلول أوائل العشرينيات من القرن الماضي ، كانت نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين خبراً قديماً بالفعل ، وعرف الفيزيائيون أن أي قانون فيزيائي يجب أن يدمج ذلك. لكن عندما كتب شرودنجر نسخة صحيحة نسبيًا من معادلته ، لم يستطع تكوين صورة لها أو ذيلها ، وتخلي عنها في النسخة الأقل صحة ، ولكنها لا تزال قابلة للتطبيق ، التي نعرفها ونحبها. على الرغم من كونها مفيدة بشكل لا يصدق ، فإن صورة شرودنجر لميكانيكا الكم لا تتضمن تلقائيًا أي وصف للدوران - يجب معالجتها بشكل غير أنيق.

ولكن في نفس الوقت تقريبًا ، كان الفيزيائي النظري بول أدريان موريس ديراك محيرًا أيضًا في عالم الكم وذهب إلى حد كبير في نهج لميكانيكا الكم يتضمن النسبية الخاصة. وعلى عكس صديقه إروين ، كان قادرًا على فك الشفرة الرياضية ومعرفة آثارها. كان أحد تلك الآثار المترتبة على توحيد ميكانيكا الكم بالنسبية الخاصة - كما خمنت - هو الدوران. تضمنت رياضياته تلقائيًا وصفًا للدوران. إذا كان قد عمل عليها قبل بضع سنوات من تجارب Stern و Gerlach ، لكان بإمكانه توقع نتائجها!

بدلاً من ذلك اكتشفنا الدوران الكمومي من خلال التجربة ، لكن ديراك علمنا أنه من أجل فهم خاصية الجسيم الغريبة هذه ، علينا أن نضع أنفسنا في حالة ذهنية نسبية وكمومية كاملة. بقدر ما قد يكون مغريًا ، علينا أن نتجاهل تمامًا أي أفكار عن أن الجسيمات دون الذرية تكون كرات معدنية صغيرة تدور ؛ سلوكهم أكثر تعقيدًا بكثير مما قد توحي به تلك الاستعارة. في الواقع ، ربما لا توجد استعارات مفيدة على الإطلاق.

ببساطة لا يوجد وصف كلاسيكي لهذه الخاصية الغامضة. بدلاً من ذلك ، فإن الدوران هو خاصية أساسية لكوننا ، تتجلى فقط في تقاطع ميكانيكا الكم والنسبية الخاصة ، دون الاستعارات العيانية. فقط من خلال آلية ديراك الرياضية يمكننا عمل تنبؤات حول سلوكيات الدوران التي نحتاجها للقيام بالفيزياء. وبالتالي لدينا حالة مؤسفة حيث السبيل الوحيد للإجابة على السؤال 'ما هو الدوران؟' هو ببساطة الإشارة إلى حسابات ديراك وتجاهلها.

تعلم المزيد من خلال الاستماع إلى الحلقة 'كيف نفهم الدوران الكمي؟' في بودكاست اسأل رائد فضاء ، متاح على اي تيونز وعلى الويب في http://www.askaspaceman.com . بفضل Dean B. و Pete E. وnirbnz و Kari Kale وsowjuinil على الأسئلة التي أدت إلى هذه المقالة! اطرح سؤالك الخاص على Twitter باستخدام #AskASpaceman أو باتباع Paul تضمين التغريدة و facebook.com/PaulMattSutter . تابعنا تضمين التغريدة و موقع التواصل الاجتماعي الفيسبوك و + Google . المقالة الأصلية بتاريخ موقع guesswhozoo.com .