Что такое спин?

Расшифровка видео
0:00
всем привет сегодня я хотел бы
0:01
рассказать о таком странном свойств и в
0:03
квантовой механике как спины она обычно
0:05
вызывает очень много вопросов потому что
0:08
его всегда описываю через всякие
0:10
аналогии типы это как вращение на не
0:13
совсем вращение и все такое
0:16
поэтому сегодня я хотел бы рассмотреть
0:17
его с разных сторон рассмотреть как его
0:19
вообще обнаружили на что она влияет и
0:22
как его свойства проявляются в
0:24
экспериментах этим свойством обладают
0:26
например элементарные частицы такие как
0:28
электрон или фотон составные частицы как
0:32
протон или нейтрон и даже иногда говорят
0:35
а спине целых атомов или может быть даже
0:37
молекул давайте наконец-то разберемся
0:39
что же такое спин это не очень
0:42
интуитивно простое понятие поэтому
0:44
придется рассмотреть его со всех сторон
0:45
и начнем с краткой истории о том как
0:48
люди вообще дошли до такого странного
0:50
свойство природы как спин существование
0:52
спина была предложена в 1924 году его лю
0:55
кенгом паули а эксперимент который
0:58
подтвердил наличие спина у частиц был
1:00
поставлен в 1922 году на эксперимент был
1:04
еще до того как теоретически его
1:06
предсказали потому что в эксперименте
1:08
сначала не поняли что все нашли а потом
1:10
в 1927 году внезапно соединили всё это
1:14
вместе и получилась вот такая вот
1:16
цельная картина тот самый эксперимент
1:17
называется экспериментом штерна герлаха
1:20
его суть заключается в следующем брали
1:22
два магнита определенных форм пропускали
1:26
через них частицы и смотрели в какую
1:28
сторону частицы будут отклоняться под
1:30
действием магнитного поля давайте
1:32
поподробнее рассмотрим этот эксперимент
1:34
но сначала что вы в нем лучше
1:36
разобраться рассмотрим его классическую
1:38
и квантовую версию а потом сравним обе
1:40
эти версии итак сначала классическая
1:43
версия возьмем несколько направленных в
1:45
разные стороны магнитов и выстрелим их в
1:48
наше магнитное поле
1:49
зависимости от направления магнитов они
1:52
будут ускоряться в разные стороны под
1:54
действием магнитного поля при такой
1:56
конфигурации установки чем выше
1:58
направлен северный полюс у каждого
2:00
магниты тем выше его отклоняет магнитное
2:03
поле можно каждый магнит схематично
2:05
изобразить стрелкой
2:06
тогда наш эксперимент будет выглядеть
2:08
так теперь
2:09
вспомним как работает магниты если взять
2:11
электрический заряженный объект и начать
2:13
его вращать то он создаёт магнитное поле
2:16
в постоянных магнитах внутри движутся
2:18
частицы что тоже создает магнитное поле
2:21
но если теперь мы возьмем очень
2:22
маленькие объекты например отдельные
2:24
частицы электроны то заметим что они
2:27
тоже отклоняются под действием
2:28
магнитного поля и тоже действует как
2:30
магнит и и из этого предположили что они
2:33
могут очень быстро вращаться ведь в них
2:36
есть электрический заряд и своим
2:38
вращением они тоже будут создавать
2:40
магнитное поле отсюда и пошло название
2:42
спин так как она переводится как
2:44
вращение
2:44
но элементарные частицы не могут
2:46
вращаться а значит спин это все таки не
2:49
настоящие вращение
2:50
однако она имеет много общего с
2:52
вращением не только из-за способности
2:54
создавать магнитное поле
2:55
но об этом я расскажу немного позже а
2:58
еще кстати у него есть особенности
2:59
которых нет у вращения рассмотрим еще
3:02
раз эксперемент штерна герлаха но на
3:04
этот раз уже по-настоящему мы будем
3:07
использовать частицы которые подчиняются
3:08
законам квантовой механики например
3:11
электроны
3:12
изначально мы не знаем спин этих
3:14
электронов и мы можем узнать его проведя
3:17
эксперимент
3:18
электроны почему то начинают вести себя
3:19
странно они все склоняются либо вверх
3:22
либо вниз если бы мы изобразили их
3:24
стрелочками то они все были бы повернуты
3:27
либо вверх либо вниз и тут мы видим
3:29
отличие от магнитов которые могут быть
3:31
повернуты в любую сторону и появляется
3:33
логичный вопрос а почему именно верх и
3:35
низ почему не право и лево почему не
3:38
любые другие стороны а если мы по
3:40
верхним нашу установку теперь если все
3:43
электроны были бы повернутыми вверх или
3:45
вниз магнитами то они все попали бы в
3:48
центр
3:49
потому что никакой из полюсов не
3:51
направлен ближе к определенной стороне
3:53
установки но когда
3:54
электронный летят вертикально они снова
3:57
выбирают одно из двух направлений
3:59
лево или право получается что само
4:01
измерение влияет на их спин
4:03
то есть спин зависит от нашей установке
4:06
а теперь смотрите что еще сделаем
4:08
возьмем электрон измерим его спину а
4:11
потом попробуем взять и еще раз измерить
4:13
его спин сразу же после первого
4:14
измерения
4:15
и как мы видим ничего не поменялось то
4:18
есть его спин остался он всегда будет
4:21
таким же если мы будем измерять его
4:23
относительно той же оси но если мы
4:25
изменим его перпендикулярно то он уже
4:28
выберет новое случайное направлении
4:30
относительно измеряемой оси прошлое
4:33
состояние при этом пропадет и 50
4:35
процентов электронов будет направляться
4:37
влево а 50 процентов электронов будут
4:39
направляться вправо в зависимости от
4:42
разных углов между измерениями могут
4:44
быть разные проценты вероятностей
4:47
выпадения того или иного спина то есть в
4:50
отличие от магнита в спин как бы
4:52
выпирает свое окончательное состояние в
4:54
момент измерения фундаментальные частицы
4:56
не имеют размеры считается что они
4:59
являются вообще просто точками в
5:00
пространстве то есть если бы они могли
5:03
бы вращаться то их вращение как минимум
5:06
превышала бы скорость света может быть
5:07
было бы вообще бесконечным что нам не
5:10
подходит ну как мы уже говорили в
5:13
магнитном поле они ведут себя как
5:14
частицы которые электрические заряженные
5:17
вращаются на этом и их свойства с
5:19
вращением не заканчиваются представьте а
5:22
там это целая система из разных частиц
5:24
сложный объект
5:25
он уже не является точкой и может
5:27
реально вращаться
5:29
она все объекты включая атомы
5:31
элементарные частицы действует закон о
5:33
сохранении углового момента глава момент
5:36
это количество вращательного движения
5:38
его сохранение означает что он не откуда
5:41
никогда не появляется и никуда не
5:42
исчезает он всегда остается одним и тем
5:44
же известным примером является
5:46
сохранение углового момента фигурном
5:48
катании фигуристом с расставленными в
5:51
разные стороны и руками нужно больше
5:52
энергии для вращения
5:54
но когда они их складывают то энергии
5:57
нужно меньше и скорость вращения
5:58
внезапно увеличивается хотя они вроде бы
6:01
ничего уже не делают для этого
6:03
а все потому что энергия вращения у них
6:05
уже есть она остается такой же после
6:08
складывания рук но она каждый поворот
6:10
теперь нужно меньше энергии
6:12
ну вернемся к атомам фотоны и то есть
6:14
частицы света могут войти поглощены
6:16
атомом при этом они начинают его вращать
6:19
потому что у них уже есть свой угловой
6:21
момент он же спин и так как в угловой
6:24
момент должен сохранять
6:26
а то вращение переходит в атом и вообще
6:29
когда мы говорим о сохранении углового
6:30
момента это же относится и к спину то
6:33
есть финн это в каком-то смысле тоже
6:35
угловой момент только без реального
6:38
вращения спин можно представить как
6:40
некоторое количество вращения которое
6:42
как бы хранится внутри частицы
6:44
я говорил что спин можно выразить как
6:47
некоторые направлении вверх или вниз или
6:49
вправо влево или даже по диагонали если
6:52
мы будем так его измерять но можно
6:54
выразить его более формально
6:56
квантом спина является приведенная
6:57
постоянная планка смотрите что это
7:00
значит приведенная постоянная планка
7:02
это такая очень очень маленькая порция
7:04
энергии квант это наименьшая порция
7:07
чего-либо то есть когда мы говорим что
7:10
командам свейна является приведенные
7:12
постоянной планка это означает что спин
7:16
может измеряться в этих приведенных
7:17
постоянных планка и его значения могут
7:19
отличаться друг от друга ровно на одну
7:22
приведенную постоянную планка например у
7:25
электрона спин равен 1 и 2 и его
7:28
значениями могут быть либо 1 2
7:30
приведенная постоянная планка либо минус
7:33
одна вторая привезенные постоянная
7:34
планка и между ними разница ровно 1
7:37
проведенная постоянная планка и в три
7:39
частицы такие как электронные или
7:41
например кварки мы обычно называем
7:43
частицами материи или фирме о нами это
7:47
как раз именно потому что их спин равен
7:49
1 2 то есть именно это значение спина
7:52
дает им свойства быть теми самыми
7:54
частицами материи а именно то что они
7:57
подчиняются принципу паули который
7:59
говорит о том что эти фермионы не могут
8:01
быть в абсолютно одинаковом состоянии
8:04
поэтому например в атоме разные
8:07
электроны занимают разные энергетические
8:09
уровни они скапливаются все в одном
8:12
месте
8:12
но на смотрите на каждом уровне может
8:15
быть по два электрона почему так
8:17
происходит как раз потому что у
8:19
электронов могут быть разные состояния
8:21
спина либо 1 2 постоянная планка либо
8:24
минус одна вторая постоянная планка и
8:26
это как раз позволяет им быть разными
8:29
частями
8:29
находится в абсолютно одинаковом
8:30
состоянии кроме
8:32
спина теперь калибровочные бозоны то
8:35
есть частицы взаимодействия самый
8:37
наглядный пример калибровочного бозоны
8:39
это например фотон то есть частица света
8:41
и у них спин равен единице у всех
8:44
калибровочных бозонов что означает что
8:46
они будут принимать состоянии 10 и минус
8:49
1 все тоже изменяется в проведенных
8:51
постоянных планка
8:52
а еще он среди калибровочных бозонов
8:54
есть частицы у которых нет массы это
8:57
глион и как раз фотон теория
8:59
относительности накладывает ограничения
9:02
на спин таких частиц
9:03
я сейчас не буду в нее углубляться так
9:05
как это отдельная огромная тема
9:06
но суть в том что спин таких частиц в
9:09
результате не может быть равен нулю
9:11
поэтому с их спин может быть равен
9:13
только плюс единицы и минус единицы а
9:16
еще существует скалярные бозоны на
9:19
данный момент известен только один это
9:20
бозон хигса и эспен всех скалярных
9:24
базанов равен нулю и это значит что они
9:26
могут принимать значения только 0 то
9:28
есть их спин всегда один и тот же он
9:29
никогда не меняется и того получается
9:31
что спины то такой квантовый угловой
9:34
момент который не является реальным
9:36
вращением то есть частица может как бы
9:38
хранить вращение внутри себя не вращаясь
9:40
при этом еще факт того что частицы с
9:44
разными значениями спина но всеми
9:46
остальными одинаковыми характеристиками
9:47
могут различаться открывает простор для
9:50
ног взаимодействий в физике это
9:52
называется обменным взаимодействием и
9:54
без него
9:56
атомы в привычном нам понимании не
9:58
существовали бы кстати я тут писал на
10:00
википедии про обмена и взаимодействия и
10:02
там почему то есть фотка гейзенберга
10:05
примерно в двадцать седьмом году типа мы
10:08
не знаем точное время но зато мы точно
10:10
знаем его энергию если вы понимаете о
10:13
чем я

Поделиться: