Таке питання мені поставив мій співробітник.
- На це питання відповісти можна швидко, якщо знаєш, що таке спін. А ви знаєте?
У підручнику фізики можна прочитати, що це квантове властивість елементарної частинки, яка відповідає в класичній фізиці механічного моменту інерції, тобто спін (дослівно обертатися) характеризує інерцію обертання. Для планети (в планетарної моделі атома Резерфорда електрони подібно до планет обертаються навколо атомного ядра) момент інерції дорівнює добутку її маси на радіус, тобто віддалі до центру Сонячної системи.
Якщо електрон уявити кільцем, що заповнює першу Борівська орбіту, то від цього його момент інерції не зміниться, тому що радіус всіх частин електрона залишиться колишнім. Правда, це вже буде не власний, а орбітальний момент електрона, який дійсно цілий.
Що ж таке спін в разі кільцевої моделі електрона? Чому він удвічі менше орбітального моменту?
Уявіть собі, що Ви летите на ракеті по круговій орбіті. У цьому випадку Ваш орбітальний момент дорівнює одиниці (якщо прийняти за одиницю радіус орбіти). Який буде Ваш спин? Уявіть, що Ваша ракета обертається навколо своєї осі. Саме це обертання і відповідає спину електрона. Зрозуміло, що момент інерції буде залежати вже від радіуса ракети, а не орбіти.
Якщо прийняти, що радіус ракети дорівнює класичному радіусу електрона, то вона повинна обертатися навколо своєї осі так, що космонавти, притиснуті відцентровою силою до стінки ракети будуть рухатися навколо її центру зі швидкістю, що перевищує швидкість світла раз в десять!
Якщо швидше за світло рухатися не можна, то обертальний момент інерції не може бути звичайним механічним моментом. З цього міркування і виходять, кажучи про спині, який "не можна" пояснити в рамках класичної фізики.
Якщо ж "класичний" радіус електрона, розрахований в припущенні, що електрон має форму кулі, розрахований неправильно, наприклад тому, що електрон має іншу форму, то швидкість на "поверхні" електрона може знизитися до швидкості світла, ніж по суті і є електрон ( закільцований електромагнітний промінь).
З огляду на, що промінь, який утворює "тіло" електрона має кругову поляризацію (левоспіральную на противагу Позитрон), легко здогадатися, що частина енергії укладена в поляризаційному русі, тобто в обертанні навколо центру "ракети".
Напрямок цього обертання залежить від ділянки "орбіти", тобто сегмента закільцьованого променя-електрона. Одна половина електрона буде здаватися нам обертається за годинниковою стрілкою, в той час як друга половина буде здаватися, що обертається в протилежному напрямку. У ближній і в далекій точках поголені обертання буде змінюватися на протилежне, тому в цих точках воно буде як би зупинятися для нас. Якщо проінтегрувати це видиме обертання, помінявши у половини знак мінус на плюс (щоб не вийшов нуль) ми все одно отримаємо всього лише половину. А може бути і не отримаємо.
Уявіть, що Ви дивіться слідом летить ракеті, а потім ракета облітає Землю і здається, що вона стала обертатися в протилежну сторону, хоча сидячи всередині Ви можете переконатися, що як оберталася вона по лівій спіралі, так і обертається, але якщо Ви озирніться назад, то побачите, що небо стало обертатися в протилежну сторону.
Ось і виходить, що половина електрона обертається в одну сторону, а інша половина - в іншу. Звідси і "дивина", яка полягає в тому, що спін електрона спрямований або уздовж орбітального руху, або проти.
Але якщо в одному напрямку обертається тільки половина електрона, то зрозуміло, що цілим йому, тобто спину, не бути.
Що стосується фотона, то з якого б боку ми на нього не глянули, можемо побачити, що він весь цілком обертається в одну сторону. Однак, варто нам його замкнути, і половина його виявиться зверненої в протилежну сторону. І як не крути, половина крутиться за годинниковою стрілкою, а половина - проти.
Таким чином, стає можливим повернутися до класичним уявленням в масштабах мікросвіту. Більш докладно про класичних моделях мікросвіту можна прочитати в найперших текстах енциклопедії Наносвіт.
Взагалі, мені щось не подобається моє пояснення, чому у електрона напівцілий спин. У моделі атома Резерфорда електрон зображувався кулькою-планетою, яка крутилася навколо своєї осі. Зрозуміло, що для перевороту осі обертання потрібно фактично змусити планету змінити напрямок свого обертання. На це потрібно затратити певну енергію. Якщо ми перевернемо кільцевої електрон, то орбітальне напрямок зміниться на протилежне, а "обертання ракети" навколо своєї осі не зміниться, тому що якщо це було левоспіральное рух, то воно їм і залишиться. Виходить, що нам потрібно затратити менше енергії на переорієнтацію "кільця" -Електронна, ніж "планети" -Електронна. А вже в два рази менше ця енергія або не в два - питання окреме. Справа в тому, що в електронній оболонці атома електрон перевернути важко, тому що він виявиться орієнтованим однойменною полюсом до сусідніх електронів. Зрозуміло, що як тільки ми його відпустимо, то він знову повернеться в стійке магнітне положення. Якщо ж ми його будемо розгортати далеко від атома, то на це майже не витрати енергії, тим більше, що при гальмуванні ми заберемо у нього енергію, яку затратили на розгін (кутовий).
Тут ми виявляємо, що спін електрона пов'язаний з переорієнтацією його "орбітального" руху, тому що при перевороті кільцевого магніту, яким ми моделюємо електрон, фактично змінюється напрямок фронту хвилі на протилежне, в той час як поляризаційне рух (обертання "ракети" навколо власної осі) залишається того ж напрямку. Якщо поляризаційне рух "важить" половину всього руху електрона, то перевертаючи електрон-кільце ми фактично змінюємо другу складову його внутрішньоструктурних руху, тобто як раз "орбітальну". При цьому ми насправді міняємо лише половину внутрішньоструктурних руху електрона. До речі, якщо "поляризаційне" і "орбітальне" руху всередині електрона являють собою дві ступені свободи, то між ними енергія повинна розподілитися порівну. Це властивість виконується для систем з багатьма ступенями свободи.
Можливо, що і в кварках підструктури мають ваги 1/2 і 1/6 заряду електрона саме через те, що одна з підструктур має в три рази більше ступенів свободи, ніж інша. Скажімо, одна має тільки тангенціальну ступінь свободи, в той час як інша має всі три просторових ступеня свободи або одну тангенціальну і, скажімо, дві коливальні. Уявляєте, як може поводитися пружина, замкнута в кільце? Але коливальні ступені свободи - це вже процес другого порядку. Ймовірно, що процес першого порядку має саме три просторових ступеня свободи.
Це краще пояснити на малюнку.
Жовтою лінією показана підструктура, що має "вагу" 1/2. У неї все три ступені свободи руху задіяні.
Світло-блакитна конструкція показує структуру, що має "вагу" 1/6. У неї залишилася тільки "зелена" ступінь свободи. "Синя" і "червона" "пов'язані" магнітним взаємодією між сусідніми петлями кварка.