Електрони - вправні маленькі чарівники. Здається, що вони пурхають атомом, не прокладаючи певного шляху. Вони часто опиняються у двох місцях одночасно, а їхня поведінка в кремнієвих мікрочипах забезпечує роботу обчислювальної інфраструктури сучасного світу.
Але один з їхніх найбільш вражаючих трюків оманливо простий, як і будь-яка магія. Електрони завжди здаються такими, що обертаються. Кожен електрон, який коли-небудь спостерігався, чи то атоми вуглецю в нігті, чи то в прискорювачах частинок, має вигляд неймовірно вправного танцюриста, який танцює навколо величезної маси.
Ба більше, його обертання ніколи не сповільнюється і не прискорюється. Як би його не штовхали і не штовхали, він завжди рухається з однією і тією ж швидкістю. У нього навіть є невелике магнітне поле, як і належить обертовому об'єкту з електричним зарядом. Таке поле називається "спіном".
Але, незважаючи на наші візуальні спостереження, електрони не обертаються. Вони не можуть обертатися; доказ неможливості обертання електронів є стандартним домашнім завданням у будь-якому вступному курсі квантової фізики.
Якби електрони дійсно оберталися, цього було б достатньо для пояснення спиноподібної поведінки. До того ж вони, ймовірно, демонстрували б швидкості, що набагато перевищують швидкості світла.
Ще більш дивним є те, що впродовж майже століття це удаване протиріччя більшість фізиків просто списували з рахунків як ще одну дивну особливість квантового світу, яку можна проігнорувати.
Проте спін має величезне значення. Якби електрони не оберталися, ваш стілець зменшився б до мізерної частини свого розміру. Ви б теж зруйнувалися - і це було б найменшою з ваших проблем.
Без обертання звалилася б уся періодична таблиця елементів, а разом із нею і вся хімія.
Фактично, не було б ніяких молекул. Тож спін - це не просто один із трюків електронів, а й одна з найважливіших характеристик частинок, що "цементують" наш світ.
Однак, як будь-який хороший фокусник, електрони нікому не розповідають, як вони це роблять.
Але тепер на горизонті може з'явитися нове пояснення спіна, яке відкриє завісу і покаже, як працює квантова магія.
Спін нової фізики
Спіни завжди були заплутаними. Навіть перші люди, які розробили ідею спіна, вважали, що вона має бути неправильною.
У 1925 році два молодих голландських фізики, Самуель Гаудсміт і Джордж Уленбек, ламали голову над останніми роботами знаменитого теоретика Вольфганга Паулі. Той, намагаючись пояснити структуру атомних спектрів і періодичної таблиці, припустив, що електрони мають "двозначність, що не піддається класичному опису".
Але Паулі не вказав, якій фізичній властивості електрона відповідає його нова величина, і Гаудсміт з Уленбеком поставили запитання, що це може бути.
Усе, що вони знали, - це те, що нове значення Паулі було пов'язане з дискретними одиницями добре відомої властивості з класичної ньютонівської фізики, яка називається кутовим моментом.
Кутовий момент - це просто тенденція обертового об'єкта продовжувати обертатися. Це те, що змушує дзиґу обертатися, а велосипеди - стояти на місці.
Що швидше обертається об'єкт, то більший у нього кутовий момент, але форма і маса об'єкта також мають значення. Важчий об'єкт має більший кутовий момент, ніж легкий об'єкт, що обертається з такою ж швидкістю. Об'єкт, що обертається з більшою масою, має більший кутовий момент, а його маса часто не зосереджена в центрі.
Об'єкти можуть мати кутовий момент і без обертання. Будь-яка річ, що обертається навколо іншої речі, наприклад, Земля, що обертається навколо Сонця, має деякий кутовий момент.
Але Гаудсміт і Уленбек знали, що цей вид кутового моменту не може бути джерелом нового числа Паулі.
Електрони дійсно рухаються навколо атомного ядра, їх утримує тяжіння між їхнім негативним електричним зарядом і позитивним зарядом протонів.
Але кутовий момент, який отримується в результаті цього руху, вже був врахований і не міг бути новим значенням Паулі.
Фізики також знали, що з електроном пов'язані три числа, які відповідають трьом вимірам простору, в якому він може рухатися. Четверте число означало додатковий спосіб, яким електрон може рухатися.
Єдиним варіантом залишалося обертання самого електрона, подібно до обертання Землі навколо своєї осі по орбіті Сонця. Якби електрони могли обертатися в одному з двох напрямків - за годинниковою стрілкою або проти неї - це пояснювало б "двозначність" Паулі.
Натхнені, Гаудсміт і Уленбек описали свою нову ідею і показали попередній текст статті Полу Еренфесту, близькому другу Альберта Ейнштейна. Той визнав ідею інтригуючою. Він порадив двом молодим вченим звернутися до когось іще: наприклад, Хендріка Антона Лоренца, який передбачив спеціальну теорію відносності.
Лоренц виявився менш вразливим і відкинув ідею спіна. Як він вказав Уленбеку, було відомо, що електрон дуже малий, принаймні у 3000 разів менший за атом, а атоми, як уже було відомо, мають розмір близько десятої частки нанометра в діаметрі, що в мільйон разів менше за товщину аркуша паперу.
Оскільки електрон такий малий, а його маса ще менша - мільярдна частка мільярдної частки мільярдної частки мільярдної частки мільярдної частки грама - він ніяк не може обертатися досить швидко, щоб врахувати кутовий момент, який шукали Паулі та його соратники.
Згідно з логікою Лоренца, електрон у такому разі має рухатися в 10 разів швидше за швидкість світла, що є повним абсурдом.
Зазнавши поразки, Уленбек повернувся до Еренфеста і повідомив йому новини. Він попросив ученого скасувати статтю, але отримав відповідь, що вже надто пізно - його наставник відправив роботу на публікацію.
"Ви обидва досить молоді, щоб дозволити собі дурість", - заявив Еренфест.
І він мав рацію. Незважаючи на те, що електрон не міг обертатися, ідея спіна була прийнята науковою спільнотою. Тільки не в первісному формулюванні. Фізики інтерпретували це відкриття як підтвердження того, що електрон задає деякий власний кутовий момент. Тому здається, ніби він обертається, хоча це не так. Може бути.
Спін виявився вирішальним у поясненні фундаментальних властивостей матерії. У тій самій роботі, де він запропонував своє нове двозначне число, Паулі також сформулював "принцип винятку": жодні два електрони не можуть перебувати в однаковому стані.
Якби це було можливо, то кожен електрон в атомі просто перейшов би в стан із найменшою енергією, і практично всі елементи поводилися б аналогічно, знищуючи хімію в тому вигляді, в якому ми її знаємо.
Іншими словами, життя б не існувало. Не було б води. Всесвіт був би просто заповнений зірками і газом, що дрейфують у нудному космосі, не зустрічаючи жодного каменю.
Насправді, як з'ясувалося пізніше, тверда матерія будь-якого виду була б нестабільною.
Хоча ідея Паулі була явно правильною, залишалося незрозуміло, чому електрони не можуть обмінюватися станами.
Відповідь на загадку було знайдено в спіні. Незабаром було виявлено, що спін є основною властивістю всіх фундаментальних частинок, а не тільки електронів, і що він має глибокий зв'язок із груповою поведінкою елементарних частинок.
У 1940 році Паулі та швейцарський фізик Маркус Фієрц довели, що під час об'єднання квантової механіки та спеціальної теорії відносності Ейнштейна неминуче виникає зв'язок між спіном і статистичною поведінкою груп.
Принцип виключення Паулі був лише окремим випадком теореми про спін-статистику.
І як багато фундаментальних фактів у фізиці, спін виявився корисним і з технологічного погляду. У другій половині 20-го століття його використали для розробки лазерів, пояснення поведінки надпровідників і вказівки шляху до створення квантових комп'ютерів.
Квантова теорія поля: у пошуках електрона
Але всі ці приголомшливі відкриття, застосування і пояснення, як і раніше, залишають на столі питання Гаудсміта і Уленбека: що таке спін?
Якщо електрони повинні мати спін, але не можуть обертатися, то звідки береться кутовий момент?
Стандартна відповідь полягає в тому, що магнітний імпульс просто притаманний субатомним частинкам і не відповідає жодному макроскопічному поняттю обертання.
Однак ця відповідь задовольняє не всіх.
"Мені ніколи не подобалася розповідь про спін, яку ви отримуєте в класі квантової механіки", - каже Чарльз Себенс, філософ фізики з Каліфорнійського технологічного інституту.
"Вас знайомлять із ним, і ви думаєте: "Ну, це дивно. Вони поводяться так, ніби обертаються, але насправді вони не обертаються? Гаразд. Думаю, я зможу навчитися працювати з цим. Але це дивно".
Нещодавно у Себенса з'явилася ідея.
"У рамках квантової механіки здається, що електрон не обертається, - каже він. - Але квантова механіка не є нашою найкращою теорією природи. Квантова теорія поля - глибша і точніша теорія".
Квантова теорія поля - це місце, де квантовий світ зустрічається з найвідомішим рівнянням у світі: E = mc2, що демонструє, що матерія може перетворюватися на енергію і навпаки.
Завдяки цій здатності часто створюються нові частинки, а наявні елементи можуть розпадатися на щось інше.
Квантова теорія поля справляється з багатьма викликами, описуючи частинки як такі, що виникають із полів, які пронизують увесь простір, і навіть порожній простір. Ці поля дозволяють частинкам з'являтися і зникати, відповідно як до суворих диктатів спеціальної теорії відносності Ейнштейна, так і до імовірнісних законів квантового світу.
І саме ці поля, на думку Себенса, можуть містити рішення загадки спіна.
"Електрон зазвичай розглядають як частинку, - пояснює він свою думку. - Але у квантовій теорії поля для кожної частинки існує окреме поле".
Зокрема, електрон можна трактувати як збудження у квантовому полі, полі Дірака, і це поле може бути тим, що передає спін електрона.
"У полі Дірака відбувається реальне обертання енергії та заряду, - продовжує Себенс. - Якщо кутовий момент знаходиться саме там, то проблема обертання електрона швидше за швидкість світла зникає; область поля, що несе спін електрона, набагато більша, ніж сам нібито точковий електрон".
Тож, згідно з Себенсом, у певному сенсі Паулі і Лоренц мали рацію: частинки, що обертається, не існує. Є поле, що обертається, і саме воно породжує частинки.
Ідея Себенса. Наукова теорія чи "справа смаку"?
Поки що від ідеї Себенса йде брижі, а не хвилі. Коли мова заходить про те, чи обертаються електрони, "я не думаю, що це питання, на яке можна відповісти", - каже Марк Середніцкі, фізик із Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі.
"Ми беремо концепцію, яка виникла у звичайному світі, і намагаємося застосувати її там, де вона не зовсім застосовна. Я думаю, що це просто питання вибору, визначення або смаку, але електрон дійсно обертається".
Ханс Оганян, фізик з Університету Вермонта, зазначає, що початкова версія ідеї Себенса не працює для антиматерії.
Але не всі фізики так зневажливо ставляться до теорії Себенса.
"Традиційне формулювання упускає щось потенційно важливе", - думає Шон Керролл, фізик з Університету Джона Гопкінса та Інституту Санта-Фе.
"Себенс перебуває на правильному шляху або, принаймні, робить щось дуже, дуже корисне в тому сенсі, що він дуже серйозно ставиться до польових властивостей квантової теорії поля".
Але, зазначає Керролл, "фізики, за своєю суттю, прагматики. Якщо Себенс правий на 100 відсотків, фізики скажуть: "Гаразд, що це мені дасть?".
Поки рано говорити про те, чи принесе робота Себенса наукові плоди. І хоча він написав статтю про те, як розв'язати проблему Оганяна, що стосується антиматерії, залишаються й інші питання.
За словами Себенса, "є багато причин для того, щоб ідея поля сподобалася".
"Я сприймаю це швидше як виклик, ніж як аргумент проти".
Джерело: Scientific Anerican
