Что такое спин элементарных частиц

Спин - это момент вращения элементарной частицы.

Иногда даже в очень серьезных книгах по физике можно встретить ошибочное утверждение о том, что спин никак не связан с вращением, что, якобы, элементарная частица не вращается. Иногда встречается даже такое утверждение, что спин, это, якобы, такая особая квантовая характеристика элементарных частиц, типа заряда, которая не встречается в классической механике.

Такое заблуждение возникло вследствие того, что, при попытке представить элементарную частицу в виде вращающегося твердого шарика однородной плотности, получаются нелепые результаты относительно скорости такого вращения и магнитного момента, связанным с таким вращением. Но, на самом деле, эта нелепость говорит лишь о том, что элементарную частицу нельзя представить в виде твердого шарика однородной плотности, а не о том, что спин будто бы никак не связан с вращением.

Если спин не считать вращением, то возникают некоторые логические трудности. Вот лишь некоторые из таких трудностей:

• Если спин не связан с вращением, то почему выполняется общий закон сохранения момента вращения, куда в виде слагаемого входит и спиновый момент? Получается, что с помощью спинового момента мы можем раскрутить какую-нибудь элементарную частицу так, чтобы она двигалась по окружности. Это получается, что вращение возникло, как бы, из ничего.
• Если у всех элементарных частиц в теле все спины будут направлены в одну сторону и суммируются друг с другом, то что тогда мы получим на макроуровне?
• Наконец, чем вращение отличается от невращения? Какая характеристика тела, является универсальным признаком вращения этого тела? Как отличить вращение от невращения? Если задуматься над этими вопросами, то Вы придете к выводу, что единственным критерием вращения тела является наличие у него момента вращения. Очень нелепо выглядит такая ситуация, когда Вам говорят, что, дескать, да, момент вращения как бы есть, а самого вращения как бы нет.

На самом деле, очень сильно сбивает с толку то, что в классической физике мы не наблюдаем аналога спина. Если бы мы могли бы обнаружить аналог спина в классической механике, то его квантовые свойства не казались бы нам слишком экзотическими. Поэтому для начала попробуем поискать аналог спина в классической механике.

Аналог спина в классической механике

Как известно, при доказательстве теоремы Эммы Нётер в той её части, которая посвящена изотропности пространства, мы получаем два слагаемых связанных с моментом вращения. Одно из этих слагаемых интерпретируется в качестве обычного вращения, а другое в качестве спина. Но теоремы Э.Нётер безотносительна того, с какой физикой мы имеем дело, с классической или с квантовой. Теорема Нётер имеет отношение к глобальным свойствам пространства и времени. Это универсальная теорема.

А раз так, то значит и спиновый вращательный момент существует в классической механике, хотя бы теоретически. Действительно, можно чисто теоретически построить модель спина в классической механике. Реализуется ли эта модель спина на практике в какой-нибудь макросистеме, это уже другой вопрос.

Давайте посмотрим на обычное классическое вращение. Сразу бросается в глаза то, что бывают вращения связанные с переносом центра массы и без переноса центра массы. Например, когда Земля вращается вокруг Солнца, то происходит перенос массы Земли, так как ось этого вращения не проходит через центр массы Земли. В то время, как при вращении Земли вокруг своей оси, центр массы Земли никуда не перемещается.

Тем не менее, при вращении Земли вокруг своей оси масса Земли всё равно двигается. Но очень интересно. Если выделить какой-нибудь объем пространства внутри Земли, то масса внутри этого объема не меняется с течением времени. Потому что, сколько массы уходит из этого объема в единицу времени с одной стороны, столько же и приходит массы с другой стороны. Получается, что в случае вращения Земли вокруг своей оси мы имеем дело с потоком массы.

Другой пример потока массы в классической механике, это круговой поток воды (воронка в ванной, перемешивание сахара в стакане с чаем) и круговые потоки воздуха (смерч, тайфун, циклон и т.п.). Сколько воздуха или воды уходит из выделенного объема в единицу времени, столько же туда и приходит. Поэтому масса этого выделенного объема не меняется во времени.

А теперь давайте сообразим, как должно выглядеть вращательное движение, в котором нет даже потока массы, но присутствует момент вращения. Представим себе неподвижный стакан воды. Пусть каждая молекула воды в этом стакане вращается по часовой стрелке вокруг вертикальной оси, которая проходит через центр массы молекулы. Вот такое упорядоченное вращение всех молекул воды.

Понятно, что у каждой молекулы воды в стакане будет ненулевой момент вращения. При этом моменты вращения всех молекул направлены в одну и ту же сторону. Значит, эти моменты вращения суммируются друг с другом. И эта сумма как раз и будет макроскопическим моментом вращения воды в стакане. (В реальной ситуации все моменты вращения молекул воды направлены в разные стороны и их суммирование дает нулевой общий момент вращения всей воды в стакане.)

Таким образом, мы получаем, что центр массы воды в стакане не вращается вокруг чего-то, и нет кругового потока воды в стакане. А момент вращения имеется. Это и есть аналог спина в классической механике.

Правда, это пока еще не совсем "честный" спин. У нас есть локальные потоки массы, связанные с вращением каждой отдельно взятой молекулы воды. Но это преодолевается предельным переходом, при котором число молекул воды в стакане устремляем к бесконечности, а массу каждой молекулы воды устремляем к нулю так, чтобы плотность воды оставалась постоянной при таком предельном переходе. Понятно, что при таком предельном переходе угловая скорость вращения молекул остается постоянной, и общий момент вращения воды тоже остается постоянным. В пределе получаем, что этот момент вращения воды в стакане имеет чисто спиновую природу.

Квантование момента вращения

В квантовой механике характеристики тела, которые могут передаваться от одного тела к другому, могут квантоваться. Основное положение квантовой механики утверждает, что эти характеристики могут передаваться от одного тела к другому не в любых количествах, а только кратно некоторому минимальному количеству. Это минимальное количество называется квантом. Квант в переводе с латыни как раз и означает количество, порция.

Поэтому и наука, которая изучает все следствия такой передачи характеристик, называется квантовой физикой. (Не путать с квантовой механикой! Квантовая механика, это математическая модель квантовой физики.)

Создатель квантовой физики Макс Планк полагал, что только такая характеристика, как энергия, передается от тела к телу пропорционально целому числу квантов. Это помогло Планку объяснить одну из загадок физики конца 19-го века, а именно, почему все тела не отдают всю свою энергию полям. Дело в том, что у полей бесконечное число степеней свободы, а у тел конечное число степеней свободы. В соответствии с законом о равнораспределении энергии по всем степеням свободы, все тела должны были бы мгновенно отдать всю свою энергию полям, чего мы не наблюдаем.

Впоследствии Нильс Бор разгадал вторую величайшую загадку физики конца 19-го века, а именно, почему все атомы одинаковы. Например, почему не бывает больших атомов водорода и маленьких атомов водорода, почему радиусы всех атомов водорода одинаковы. Оказалось, что эта проблема решается, если считать, что не только энергия квантуется, но и момент вращения тоже квантуется. И, соответственно, вращение может передаваться от одного тела к другому не в любых количествах, а только пропорционально минимальному кванту вращения.

Квантование момента вращения сильно отличается от квантования энергии. Энергия, это скалярная величина. Поэтому квант энергии всегда положителен и у тела может быть только положительная энергия, то есть положительное число квантов энергии. Кванты вращения вокруг определенной оси бывают двух видов. Квант вращения по часовой стрелке и квант вращения против часовой стрелки. Соответственно, если Вы выбираете другую ось вращения, то там также есть два кванта вращения, по часовой стрелке и против часовой стрелки.

Аналогичная ситуация и при квантовании импульса. Вдоль определенной оси телу можно передать положительный квант импульса или отрицательный квант импульса. При квантовании заряда тоже получается два кванта, положительный и отрицательный, но это скалярные величины, они не имеют направления.

Спин элементарных частиц

В квантовой механике принято собственные моменты вращения элементарных частиц называть спином. Момент вращения элементарных частиц очень удобно измерять в минимальных квантах вращения. Так и говорят, что, например, спин фотона вдоль оси такой-то равен (+1). Это означает, что у этого фотона момент вращения равен одному кванту вращения по часовой стрелке относительно выбранной оси. Или говорят, что спин электрона вдоль оси такой-то равен (-1/2). Это означает, что у этого электрона момент вращения равен половине кванта вращения против часовой стрелки относительно выбранной оси.

Иногда некоторых людей смущает, почему у фермионов (электроны, протоны, нейтроны и т.п.) половинные кванты вращения в отличие от бозонов (фотоны и т.п.). На самом деле квантовая механика ничего не говорит о том, какое количество вращения может иметь тело. Она говорит только о том, в каком количестве это вращение может ПЕРЕДАВАТЬСЯ от одного тела к другому.

Ситуация с половинами квантов встречается не только при квантовании вращения. Например, если решать уравнение Шредингера для линейного осциллятора, то получается, что энергия линейного осциллятора всегда равна полуцелому значению квантов энергии. Поэтому, если у линейного осциллятора забирать кванты энергии, то в конце концов у осциллятора останется только половина кванта энергии. И вот эту половину кванта энергии забрать у осциллятора уже никак не получится, так как забрать можно только весь квант энергии целиком, а не его половину. У линейного осциллятора остаются эти полкванта энергии в качестве нулевых колебаний. (Эти нулевые колебания бывают не такими уж и маленькими. В жидком гелии их энергия больше, чем энергия кристаллизации гелия, в связи с чем, гелий не может образовать кристаллическую решетку даже при нуле абсолютной температуры.)

Передача вращения элементарных частиц

Посмотрим, как передаются собственные моменты вращения элементарных частиц. Например, пусть электрон, вращается по часовой стрелке вокруг некоторой оси (спин равен +1/2). И пусть он отдает, например, фотону при электрон-фотонных взаимодействиях, один квант вращения по часовой стрелке вокруг этой же оси. Тогда спин электрона становится равным (+1/2)-(+1)=(-1/2), то есть электрон просто начинает вращаться вокруг этой же оси, но в обратную сторону против часовой стрелки. Таким образом, хотя у электрона была половина кванта вращения по часовой стрелке, но тем не менее у него можно забрать целый квант вращения по часовой стрелке.

Если у фотона до взаимодействия с электроном был спин на ту же самую ось равен (-1), то есть равен одному кванту вращения против часовой стрелки, то после взаимодействия спин стал равен (-1)+(+1)=0. Если спин на эту оссь изначально был равен нулю, то есть фотон не вращался вокруг этой оси, то после взаимодействия с электроном фотон, получив один квант вращения по часовой стрелке, начнет вращаться по часовой стрелке с величиной одного кванта вращения: 0+(+1)=(+1).

Итак, получается, что фермионы и бозоны отличаются друг от друга еще и тем, что собственное вращение бозонов можно остановить, а собственное вращение фермионов оснановить нельзя. Фермион всегда будет иметь ненулевой момент вращения.

У такого бозона, как, например, фотон, могут быть два состояния: полное отсутствие вращения (спин относительно любой оси равен 0) и состояние вращения. В состоянии вращения фотона, величина его спина на какую-нибудь ось может принимать три значения: (-1) или 0 или (+1). Значение ноль в состоянии вращения фотона говорит о том, что фотон вращается перпендикулярно выбранной оси и поэтому отсутствует проекция вектора момента вращения на выбранную ось. Если ось выбрать по другому, то там будет спин или (+1) или (-1). Нужно различать эти две ситуации у фотона, когда вращения совсем нет, и когда вращение есть, но оно идет не вокруг выделенной оси.

Кстати, спин фотона имеет очень простой аналог в классической электродинамике. Это вращение плоскости поляризации электромагнитной волны.

Ограничение максимального спина элементарных частиц

Очень загадочным является то, что мы не можем наращивать момент вращения элементарных частиц. Например, если электрон имеет спин (+1/2), то мы не можем дать этому электрону еще один квант вращения по часовой стрелке: (+1/2)+(+1)=(+3/2). Мы можем только менять вращение электрона по часовой и против часовой стрелки. Мы также не можем сделать спин равный, например, (+2) у фотона.

В то же время более массивные элементарные частицы могут иметь больше значения момента вращения. Например, омега-минус-частица имеет спин равный 3/2. На выделенную ось этот спин может принимать значения: (-3/2), (-1/2), (+1/2) и (+3/2). Так, если омега-минус-частица имеет спин (-1/2), то есть вращается против часовой стрелки вдоль заданной оси с величиной половины кванта вращения, тогда она может поглотить еще один квант вращения против часовой стрелки (-1) и её спин вдоль этой оси станет (-1/2)+(-1)=(-3/2).

Чем больше масса тела тем может быть больше его спин. Это можно понять, если вернуться к нашему классическому аналогу спина.

Когда мы имеем дело с потоком массы, то можем наращивать момент вращения до бесконечности. Например, если мы раскручиваем твердый однородный шарик вокруг оси, проходящий через его центр массы, то по мере того, как линейная скорость вращения на "экваторе" будет приближаться к скорости света, у нас начнет себя проявлять релятивистский эффект увеличения массы шарика. И хотя радиус шарика не меняется и линейная скорость вращения не растет свыше скорости света, тем не менее, момент вращения бесконечно нарастает из-за бесконечного нарастания массы тела.

А в классическом аналоге спина этого эффекта нет, если мы делаем "честный" предельный переход, уменьшая массу каждой молекулы воды в стакане. Можно показать, что в такой модели классического спина существует предельная величина момента вращения воды в стакане, когда дальнейшее поглощение момента вращения уже невозможно.

P.S.
Рассмотрим две ситуации с двумя одинаковыми глобусами, которые стоят рядом друг с другом. Два глобуса могут вращаться вокруг своих осей с одинаковыми линейными скоростями в одном и том же направлении. А могут вращаться в разных направлениях с теми же самыми линейными скоростями. Спрашивается, одинаковая ли в этих случаях их суммарная энергия? С точки зрения классической физики, у них одинаковая суммарная энергия. А с точки зрения квантовой механики, это не так. Если хотите узнать, почему так, то смотрите статью "Обменное взаимодействие".