ذرات کوانتومی در حال چرخش نیستند پس چرخش آنها از کجا می آید؟

این واقعیت که الکترون ها دارای خاصیت کوانتومی اسپین (چرخشی)هستند برای دنیای ما آنگونه که ما می شناسیم ضروری است. با این حال فیزیکدانان فکر نمی کنند که ذرات در واقع در حال چرخش هستند. (اعتبار: اکسیژن/گتی ایماژ) الکترون ها جادوگران کوچک و ماهری هستند. به نظر می رسد که آنها بدون ردیابی مسیر خاصی در اطراف یک اتم می چرخند، اغلب به نظر می رسد که در دو مکان در یک زمان قرار دارند، و رفتار آنها در ریزتراشه های سیلیکونی زیرساخت محاسباتی دنیای مدرن را تقویت می کند. اما یکی از چشمگیرترین ترفندهای آنها به طرز فریبنده ای ساده است، مانند همه بهترین جادوها. به نظر می رسد که الکترون ها همیشه در حال چرخش هستند. هر الکترونی که تا به حال مشاهده شده است، خواه فقط در حال چرخش در اطراف یک اتم کربن در ناخن شما باشد یا با سرعت در یک شتاب دهنده ذرات، به نظر می رسد که دائماً در حال انجام پیروت های کوچک است که راه خود را در سراسر جهان طی می کند. به نظر می رسد که چرخش آن هرگز کند یا تند نمی شود. مهم نیست که یک الکترون چگونه تکان می خورد یا لگد می زند، همیشه به نظر می رسد که دقیقاً با همان سرعت در حال چرخش است. حتی میدان مغناطیسی کمی دارد، درست مانند یک جسم در حال چرخش با بار الکتریکی. طبیعتاً فیزیکدانان این رفتار را "چرخش" می نامند. اما علیرغم ظاهر، الکترون ها نمی چرخند. آنها نمی توانند بچرخند؛ ثابت کردن غیرممکن بودن چرخش الکترون‌ها یک مشکل استاندارد در هر دوره مقدماتی فیزیک کوانتومی است. اگر الکترون‌ها واقعاً به اندازه‌ای سریع بچرخند که تمام رفتار اسپین مانندی را که نشان می‌دهند توضیح دهد، سطوح آنها بسیار سریع‌تر از سرعت نور حرکت می‌کنند (اگر اصلاً سطوحی داشته باشند). حتی شگفت‌انگیزتر این است که برای نزدیک به یک قرن، این تناقض ظاهری به‌تازگی توسط اکثر فیزیکدانان به عنوان یکی دیگر از ویژگی‌های عجیب دنیای کوانتومی نوشته شده است و چیزی برای از دست دادن خواب نیست. با این حال چرخش عمیقا مهم است. اگر به نظر می رسید الکترون ها نمی چرخند، صندلی شما به کسری کوچک تر از اندازه خود فرو می‌ریخت. شما نیز سقوط می کنید ، و این کمترین مشکل شما خواهد بود. بدون چرخش، کل جدول تناوبی عناصر به هم می ریزد و تمام شیمی با آن همراه می شود. در واقع، اصلاً هیچ مولکولی وجود نخواهد داشت. بنابراین اسپین تنها یکی از بهترین ترفندهایی نیست که الکترون ها می کشند. همچنین یکی از حیاتی ترین آنها است. و مانند هر شعبده باز خوب، الکترون ها به کسی نگفته اند که چگونه این ترفند انجام می شود. اما اکنون، روایت جدیدی از چرخش ممکن است در افق باشد، روایتی که پرده را کنار می‌کشد و نشان می‌دهد که جادو چگونه کار می‌کند. یک اکتشاف بزرگ اسپین(چرخش) همیشه گیج کننده بوده است. حتی اولین افرادی که ایده اسپین را توسعه دادند فکر کردند که باید اشتباه باشد. در سال 1925، دو فیزیکدان جوان هلندی، ساموئل گودسمیت و جورج اوهلنبک، در مورد آخرین کار فیزیکدان معروف (و معروف به آسربیک) ولفگانگ پائولی گیج بودند. پائولی، در تلاش برای توضیح ساختار طیف های اتمی و جدول تناوبی، اخیراً فرض کرده بود که الکترون ها دارای «دو ارزشی هستند که به طور کلاسیک قابل توصیف نیست». اما پائولی نگفته بود که ارزش جدید او با کدام ویژگی فیزیکی الکترون مطابقت دارد، و گودسمیت و اولن بک متعجب بودند که آن چه می تواند باشد. تنها چیزی که آن‌ها می‌دانستند ، یا بهتر است بگوییم همه آن‌چه که در آن زمان می‌دانستند ؛ این بود که ارزش جدید پائولی با واحدهای گسسته یک ویژگی معروف از فیزیک کلاسیک نیوتنی به نام تکانه زاویه‌ای مرتبط است. تکانه زاویه ای فقط تمایل یک چیز در حال چرخش برای ادامه چرخش است. این چیزی است که بالاتنه ها را می چرخاند و دوچرخه ها را صاف نگه می دارد. هرچه یک جسم سریعتر بچرخد، تکانه زاویه ای آن بیشتر است، اما شکل و جرم جسم هر دو اهمیت دارند. یک جسم سنگین‌تر از جسم سبک‌تری که به همان سرعت می‌چرخد، تکانه زاویه‌ای بیشتری دارد، و یک جسم در حال چرخش با جرم بیشتر در لبه‌هایش، حرکت زاویه‌ای بیشتری نسبت به زمانی که جرمش در مرکزش جمع می‌شد، دارد. اجسام می توانند بدون چرخش حرکت زاویه ای داشته باشند. هر چیزی که به دور چیز دیگری بچرخد - مانند چرخش زمین به دور خورشید، یا مجموعه ای از کلیدهایی که در اطراف انگشت شما روی یک طناب می چرخند - مقداری حرکت زاویه ای دارد. اما گودسمیت و اولنبک می‌دانستند که این نوع حرکت زاویه‌ای نمی‌تواند منبع شماره جدید پائولی باشد. به نظر می‌رسد که الکترون‌ها در اطراف هسته اتم حرکت می‌کنند، زیرا جاذبه بین بار الکتریکی منفی آنها و کشش مثبت پروتون‌ها در هسته حفظ می‌شود. اما حرکت زاویه ای آنها از این حرکت قبلاً به خوبی محاسبه شده بود و نمی توانست شماره جدید پائولی باشد.

فیزیکدانان همچنین می‌دانستند که از قبل سه عدد مرتبط با الکترون وجود دارد که با سه بعد فضایی که می‌توانست در آن حرکت کند مطابقت دارد. عدد چهارم به معنای راه چهارمی است که الکترون می‌تواند حرکت کند. این دو فیزیکدان جوان استدلال کردند که تنها گزینه این است که خود الکترون در حال چرخش باشد، مانند چرخش زمین حول محور خود در حین چرخش به دور خود. خورشید. اگر الکترون‌ها می‌توانستند در یکی از دو جهت بچرخند - در جهت عقربه‌های ساعت یا خلاف جهت عقربه‌های ساعت - این "دو ارزشی" پائولی را توجیه می‌کند. گودسمیت و اولنبک با هیجان ایده جدید خود را نوشتند و آن را به مربی خود پل ارنفست نشان دادند. ارنفست، دوست صمیمی انیشتین و فیزیکدانی قدرتمند به تنهایی، فکر می‌کرد که این ایده جالب است. در حالی که فکر می کرد، به دو جوان مشتاق گفت که با شخصی مسن تر و عاقل تر مشورت کنند: هندریک آنتون لورنتز، پیرمرد بزرگ فیزیک هلندی، که دو دهه پیش از آن بسیاری از توسعه نسبیت خاص را پیش بینی کرده بود و خود انیشتین نیز او را در این زمینه پیش بینی کرده بود. با بالاترین احترام برگزار می شود. اما لورنتز کمتر از ارنفست تحت تأثیر ایده اسپین قرار گرفت. همانطور که او به Uhlenbeck اشاره کرد، الکترون بسیار کوچک شناخته شده بود، حداقل 3000 برابر کوچکتر از یک اتم – و اتم ها قبلاً حدود یک دهم نانومتر عرض داشتند، یک میلیون بار کوچکتر از ضخامت یک ورق. از کاغذ. با این الکترون بسیار کوچک، و با جرم حتی کوچکتر آن - یک میلیاردم یک میلیاردم یک میلیاردیم گرم - هیچ راهی وجود نداشت که بتواند آنقدر سریع بچرخد که بتواند تکانه زاویه ای را که پائولی و دیگران در جستجوی آن بودند، توضیح دهد. در واقع، همانطور که لورنتز به Uhlenbeck گفت، سطح الکترون باید 10 برابر سریعتر از سرعت نور حرکت کند، که یک غیرممکن مسطح است. اولنبک که شکست خورده بود به ارنفست بازگشت و این خبر را به او گفت. او از Ehrenfest خواست که کاغذ را حذف کند، اما به او گفتند که خیلی دیر شده است - زیرا مربی او قبلاً مقاله را برای چاپ فرستاده بود. ارنفست گفت: "شما هر دو به اندازه کافی جوان هستید که بتوانید یک حماقت را تحمل کنید." و حق داشت. علیرغم این واقعیت که الکترون نمی تواند بچرخد، ایده اسپین به طور گسترده ای به عنوان صحیح پذیرفته شد - نه به روش معمول. فیزیکدانان به جای چرخش واقعی یک الکترون، که غیرممکن بود، این یافته را به این معنا تفسیر کردند که الکترون مقداری تکانه زاویه ای ذاتی را با خود حمل می کند، گویی در حال چرخش است، حتی اگر نمی تواند باشد. با این وجود، این ایده همچنان «اسپین» نامیده می‌شد و گودسمیت و اولنبک به‌عنوان مبتکران این ایده مورد استقبال قرار گرفتند. ثابت شد که اسپین در توضیح خواص اساسی ماده بسیار مهم است. پائولی در همان مقاله ای که عدد دو مقداری جدید خود را پیشنهاد کرده بود، یک «اصل طرد» را نیز پیشنهاد کرده بود، این تصور که هیچ دو الکترونی نمی توانند دقیقاً همان حالت را اشغال کنند. اگر می‌توانستند، هر الکترون در یک اتم به پایین‌ترین حالت انرژی سقوط می‌کرد و عملاً همه عناصر تقریباً دقیقاً مشابه یکدیگر رفتار می‌کردند و شیمی را همانطور که می‌شناسیم نابود می‌کردند. زندگی وجود نخواهد داشت آب وجود نخواهد داشت جهان به سادگی مملو از ستاره ها و گاز خواهد بود و در میان کیهانی خسته کننده و بی تفاوت بدون مواجهه با سنگی می چرخد. در واقع، همانطور که بعداً مشخص شد، ماده جامد از هر نوعی ناپایدار خواهد بود. اگرچه ایده پائولی به وضوح درست بود، اما مشخص نبود که چرا الکترون‌ها نمی‌توانند حالت‌ها را به اشتراک بگذارند. درک منشأ اصل طرد پائولی، توضیحی را برای همه این حقایق عمیق زندگی روزمره باز می کند. جواب پازل در چرخش بود. به زودی کشف شد که اسپین یک ویژگی اساسی همه ذرات بنیادی است، نه فقط الکترون ها - و یکی از ویژگی های با ارتباط عمیق با رفتار آن ذرات در گروه ها. در سال 1940، پائولی و فیزیکدان سوئیسی مارکوس فیرز ثابت کردند که وقتی مکانیک کوانتومی و نسبیت خاص انیشتین با هم ترکیب شدند، به ناگزیر به ارتباط بین چرخش و رفتار آماری گروهی منجر شد. اصل طرد پاولی صرفاً یک مورد خاص از این قضیه آمار اسپین بود، همانطور که شناخته شد. همانطور که مایکل بری فیزیکدان می گوید، این قضیه یک «واقعیت بزرگ درباره جهان» است. "این زیربنای شیمی است، زیربنای ابررسانایی است، این یک واقعیت بسیار اساسی است." و مانند بسیاری از حقایق اساسی در فیزیک، اسپین نیز از نظر فناوری مفید است. در نیمه دوم قرن بیستم، اسپین برای توسعه لیزرها، توضیح رفتار ابررساناها و نشان دادن راه ساخت رایانه های کوانتومی به کار گرفته شد.