Lubov-D просила меня (очень давно просила ) рассказать про спин. А спин, братишки-сестришки, — это одна из важнейших характеристик любой частицы наряду с массой, временем жизни, всякоразными зарядами и прочим, и в то же время понять спин совсем непросто. Но мы постараемся.

Осознавать спин начнём с такой механической величины, как момент импульса (он же орбитальный или угловой момент). Момент импульса есть у любого вращающегося объекта, неважно, находится ось вращения внутри объекта или вне его. Момент импульса зависит от частоты вращения, массы объекта и расстояния до оси вращения (или формы объекта, если он вращается вокруг своей оси). Угловой момент — векторная величина, то есть он имеет направление, и направлен он вдоль оси вращения (смотри картинки).



Элементарная частица тоже может вокруг чего-нибудь вращаться (например, электроны в атоме вращаются вокруг ядра), следовательно, может обладать орбитальным моментом. Но электроны и прочие частицы — объекты квантовые, а квантовый мир устроен не так, как наш. Момент импульса, например, волчка может непрерывно меняться в диапазоне от нуля до какого-то максимального значения. Также он может иметь любую проекцию на какую-то заданную ось (на картинке внизу момент импульса J имеет проекцию Jz на ось z). Но орбитальный момент квантовой частицы может меняться только скачкообразно (или, как говорят, дискретно); если точнее, то он может равняться целому числу приведённых постоянных Планка. При заданном значении орбитального момента квантовой частицы тоже может принимать только дискретные значения.



Это всё была, так сказать, присказка, а настоящая история сейчас начнётся.
Электроны в атоме могут иметь разную энергию, которая, тем не менее, может принимать только дискретные значения (потому что квантовая механика). Электрон может перейти на более высокий энергетический уровень, если поглотит фотон с энергией, равной разнице энергий того уровня, на котором электрон сейчас находится, и энергией уровня, на который электрон хочет перейти. Соответственно, если электрон переходит с более высокого уровня на более низкий, он излучает фотон. Получившиеся спектры излучения или поглощения учёные давно регистрируют и изучают; с их помощью можно много интересного узнать. Так вот, рассмотрим спектр атома какого-нибудь щелочного металла. Если помните химию, у них один неспаренный электрон, который может гулять по энергетическим уровням и давать спектр (остальные электроны мирно сидят на заполненных оболочках и никуда ходить не хотят), что делает изучение этих самых спектров очень удобным. И вот оказалось, что спектральные линии (в спектре излучённый или поглощённый при переходе между уровнями фотон виден как линия) при увеличении раздваиваются. Как будто у электрона есть некая неизвестная характеристика, влияющая на его энергию и могущая принимать два значения.
Потом провели опыт с атомами серебра, двигавшимися в неоднородном магнитном поле, и увидели, что атомы отклоняются в двух противоположных направлениях, как будто у них есть свой собственный момент импульса, который может быть направлен или по магнитном полю, или против его.
Были и другие экспериментальные свидетельства, которые в конце концов натолкнули физиков на мысль, что элементарные частицы (те же электроны, например) как бы вращаются вокруг своей оси и тем самым имеют свой собственный момент импульса. Его назвали спином (spin — "вращаться"). Я не случайно написала "как бы вращаются". Дело в том, что два значения проекции на какую-нибудь ось (по оси и против оси) может иметь момент, равный 1/2 постоянной Планка (про постоянную Планка обычно умалчивают), а нормальный угловой момент в квантовой механике может быть только целым. Кроме того, если взять максимальное возможное значение радиуса электрона (считается, что электрон слишком мал, чтобы измерить его размер имеющимися способами) и значение его спина, то получается, что скорость вращения его экватора больше скорости света, что противоречит теории относительности. К тому же, если бы электрон действительно вращался вокруг своей оси, то его можно было бы заставить вращаться медленнее или быстрее. Но нет — спин электрона всегда равен 1/2, и всё тут.
Поэтому спин — сложная штука. С одной стороны, он во многом похож на момент импульса, он даже складывается с орбитальным моментом частицы, с другой стороны, он не может быть моментом импульса по причинам, описанным выше. Короче говоря, спин — чисто квантовая характеристика, в нашем мире аналогов ему нет, и представить его нельзя. Нет, пожалуйста, не надо представлять, что частицы вертятся вокруг своей оси, это неправда.

И есть ещё одна вещь, касающаяся спина, про которую я бы хотела рассказать. Посмотрим на схему фундаментальных частиц.



Видите, она разделена на две части: левая подписала "фермионы", а правая — "бозоны". Спин может быть либо целым, либо полуцелым — других вариантов нет. Частицы с полуцелым спином называются фермионами, к ним относятся электроны и кварки; барионы — частицы, состоящие из трёх кварков, — тоже являются фермионами (к барионам относятся протоны и нейтроны). Фермионы подчиняются так называемому правилу запрета Паули, гласящему, что два и более фермионов не могут находиться в одном квантовом состоянии (то есть иметь одну энергию, орбитальный момент, проекцию спина и тому подобное). Именно это правило заставляет электроны в атоме расселяться по энергетическим уровням (а то бы они всем сели на самый низший уровень, ибо очень ленивы и не хотят иметь высокую энергию), именно поэтому у нас есть элементы с разными химическими свойствами. И, кстати, Lubov-D, именно благодаря правилу запрета Паули открыли цветовой заряд. У бозонов целый спин, к ним относится. например, фотон (ну, и бозон Хиггса тоже). Бозоны не подчиняются правилу запрета Паули и могут находиться в одном квантовом состоянии в любом количестве. В принципе, излучение лазера — это поток фотонов в одном квантовом состоянии. И ещё бозоны в одном квантовом состоянии образуют тот самый "Ути Бозе-газ" с картинок.

Вот такая история про спин.