imhotype (imhotype) wrote,
imhotype
imhotype

Category:

О спине частиц. О физическом пространстве.

О спине частиц.

Спин, как и заряд, и масса относится к фундаментальному, базовому свойству окружающего нас мира. Спин просто есть у любой частицы и всё. Так задумал Создатель, или оно само нечаянно случилось. О спине речь заходит обычно тогда, когда говорят об электронах, но спин также есть у обладающих массой нуклонах (протонах и нейтронах) и у безмассовых частиц — фотонов. Есть спин и у других частиц, живущих недолго или состоящих из нескольких. Спин можно рассматривать как вектор ("стрелочку"), но очень специфически. Если выбрать какое-либо направление в окружающем пространстве, то спин всегда будет направлен или вдоль этого направления, или обратно, или поперёк него. И никак иначе — это интересное свойство, не имеющее аналога в классическом мире.
Измеряется спин в единицах кванта действия h, делённого на величину 2π, равную полному обороту. И это не случайно. Одни частицы — бозоны — обладают целочисленным или нулевым спином, который можно соотнести с тем, какой оборот сделает условная "стрелка", двигаясь по замкнутой кривой в трёхмерном пространстве. Движение по такой кривой даёт целое число оборотов "стрелки". Другие частицы — фермионы — обладают полуцелым спином, и это соответствует, например, половине оборота "стрелки", движущейся по замкнутой линии на поверхности ленты Мёбиуса. И всё это потому, что фотоны принадлежат к элементам одного типа физического пространства, а электроны с нуклонами — элементам другого. Принадлежность частиц к разному типу пространства приводит к разным типах их статистики в коллективе (и разной симметрии их волновой функции — как следствию). Бозоны подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна и могут свободно проникать друг через друга. Фермионы обладают статистикой Ферми-Дирака и могут "жить" только поодиночке или в паре, но с противоположно направленными спинами (работает принцип запрета Паули).
Общепринятым сейчас считается представление о спине как о собственном моменте импульса частицы, то есть о вращении частицы. Но это довольно грубое представление, ибо пришлось бы допустить сверхсветовую классическую скорость на поверхности электрона, обладающего некоторым классическим радиусом. Но всё же представление о спине как о некотором "собственном вращении" стоит оставить, поскольку размерность кванта действия — это момент импульса. Кроме того, направление спина оказывается связанным с направлением "вращения" частицы, что бы мы под этим не понимали. Изменение направления спина на противоположное меняет и направление "собственного вращения".
Представление о спине как о "вращении" некой плотности распределённого заряда полезно и при рассмотрении магнитного момента электрона, протона и нейтрона, с которыми связаны магнитные свойства многих материалов. Как показывает таблица Менделеева, спин играет чрезвычайно важную роль в последовательности плотной упаковки электронов вокруг ядра атома, следуя в некотором смысле принципу наименьшего действия. Наличие спина у электрона оказывается принципиально важным при его движении в электромагнитном пространстве, о чём свидетельствует релятивистское уравнение Дирака и соответствующая математическая интерпретация Пенроуза. Наверняка, есть важное применение спина и у других частиц и, в том числе — у бозонов.
Итак. Спин есть свойство, необходимое природе. Без него были бы невозможны многие существующие физические явления и свойства частиц. Его существование тесно связано с квантом действия h (постоянной Планка), который является универсальным дискретным элементом физического пространства. Существование полуцелого спина у одних частиц и целого у других делит их не только на два разных мира с разными статистиками коллективного существования, но и позволяет обмениваться энергией между элементами разных пространств. Без такого обмена было бы невозможно устойчивое и динамически равновесное существование окружающего нас мира©

О физическом пространстве.

Сначала в своём воображении нужно допустить, что известное математическое пространство-время не является физическим пространством. Оно является классической моделью некого сплошного пространства, которое на самом деле является дискретным, но выглядит таким, как если бы мы смотрели на травяной газон или песчаный пляж с высоты высокого здания. Когда травинки и песчинки "сливаются" в единое целое.
Затем нужно думать, что может являться элементом дискретного пространства. Хороший в некотором смысле пример — фотоны, которые неизвестно, что собой представляют, но зато всегда ведут себя как дискретные элементы с импульсом p=h/λ и энергией E=hν, связанных между собой через скорость света c=E/p.
Было непросто, но потихоньку стало понятно, что окружающее нас электромагнитное пространство составлено из элементов h — квантов действия, известных под именем постоянной Планка. И что фотон является возбуждением одного элемента этого пространства, а в большом коллективе фотоны ведут себя как электромагнитная волна. Мне до сих пор трудно себе представить, как однородное и изотропное трёхмерное пространство может быть составлено из одинаковых квантов h, которые в возбуждённом состоянии превращаются в фотоны, обладающие столь разными линейными "размерами" λ=h/p. И благодаря чему мы имеем постоянные размеры привычных нам предметов так, что придумали даже эталонный метр, хранящийся сами знаете где. Ведь фотоны — это бозоны, которые свободно проходят друг через друга и для них нет края или границы, за который наш глаз мог бы зацепиться.
А причина по крайней мере постоянства линейных размеров состоит в присутствии в нашем ЭМ пространстве элементов другого пространства — фермионов по своей природе, которые могут собираться в плотные структуры, но не могут проникать друг в друга. Было уже известно, что электроны, протоны и нейтроны являются такими фермионами. Последние два типа частиц образуют ядра в атоме, электроны с ядром образуют атом, и первая боровская орбита в атоме водорода имеет своё определённое строгое значение. Тут боровская орбита — классическое понятие и нужны как бы другие слова, ну да ладно, не будем усложнять. А дальше атомы образуют кристаллы, жидкости и пар, которые хоть и могу меняться под действием температуры и давления, но постоянство боровской орбиты внушает уверенность в стабильности нашего мира.
Так вот, чтобы быть универсальным в подходе к построению разных физических пространств, приходится допустить, что упомянутые фермионы "сделаны" из совсем другого пространства — отрицательной кривизны и ограничены чем-то вроде ленты Мёбиуса в соответствии со словами профессора Буяло. А размер элемента другого пространства следует взять тоже равным кванту действия. Не просто по аналогии с фотонами, но и для того, чтобы разные пространства могли обмениваться квантами одинаковой величины. Что, кстати, сразу даёт понимание, почему тела вообще приходят к термодинамическому равновесию, а не болтаются как ... , благодаря известной обратимости законов классической механики во времени. И "до кучи" требует введения нового закона сохранения — сохранения полного числа квантов действия в замкнутой системе. А законы сохранения энергии, импульса и момента импульса выводятся из него также, как в своё время сделала Эмми Нётер с классическим интегральным действием в механике.
И последнее. Если электрон имеет импульс p, он представляет собой квант действия h в своём пространстве, он занимает в окружающем ЭМ пространстве место фотона также размером в один квант действия, он обладает собственным моментом импульса или спином величиной 1/2ћ, его другое свойство — электрический заряд также имеет величину q=h/μ, где μ — квант магнитного потока (и, может быть, тоже занимает своё место в каком-нибудь абстрактном для нас пространстве), обладает массой m, тоже имеющей отношение к кванту действия. Последнее даёт путь к построению гравитации, но об этом как-нибудь в другой раз.
Продолжение в связи с вопросом division___bell: "Я всегда думал, что постоянная Планка — это всего-навсего коэффициент, числовое выражение ( т.е абстракция в рамках модели), связывающее величину энергии (импульса) с частотой. Но тут вы говорите об этой постоянной как о реально существующем некотором объекте, который обладает определенными свойствами. Как такое возможно и что именно имеется в виду??"
Это действительно трудный момент — перейти от простой константы Планка, пусть и фундаментальной, но появляющейся для нас всего лишь в математических формулах и уравнениях, к реальному элементу некого пространства, имеющему весомый физический смысл.
Тут я напомню ещё об одном малоизвестном моменте в научной жизни Планка, который случился уже более ста лет тому назад, но имевший, я думаю, для Планка такое же важное значение, как для меня упоминавшаяся выше лекция Буяло. Этим моментом было письмо Больцмана Планку, в котором мэтр отвечал на заданный ему вопрос о том, как можно было бы преодолеть "ультрафиолетовую катастрофу" в вычислении полной энергии электромагнитного излучения в некой замкнутой полости. Больцман посоветовал Планку рассмотреть конечной энтропию излучения, заключенного в полости. Конечная энтропия означала бы конечное число возбуждений ЭМ поля в полости. По ходу дела оказывалось, что конечным было число элементов вполне конкретной размерности — момента импульса, то есть действия. Тогда в этом не было ничего удивительного, если вспомнить, что Больцман сам ввёл свою константу k в формуле для энтропии с размерностью энергии, делённой на градус Кельвина. И Планк всегда утверждал, что он открыл именно квант действия, а не, скажем, квант энергии.
Вот так кванты действия h стали "заполнять" область внутри полости. Эйнштейн, видимо, первый понял физический смысл кванта действия как возбуждённого фотона в рассматриваемой полости, но смысл кванта как дискретного объекта приписал тогда энергии фотона. Чем "увёл" развитие физики с "верного" направления в другую сторону, удобную для классической механики того времени. А Планк почему-то долгое время не верил в то, что любое ЭМ поле дискретно и состоит из фотонов. Он допускал дискретными всего лишь порции излучения, спускаемые стенками полости, а само излучение внутри неё — непрерывным, а конечным — только число порций энергии, которыми излучение в полости обменивается со стенками. Нам может показаться странным для Планка останавливаться на полдороги, но что было — то было
.©
Tags: Наука и ЖестЪ
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Comments allowed for friends only

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

  • 1 comment