Za većinu nas, dijagrami atoma kao sićušnih solarnih sistema služe kao uvod u svet fizike čestica. Nažalost, ove popularne slike su više pogrešne nego što su ispravne.
Kao prvo, elektroni nisu kao male planete koje kruže oko kvrgavog sunca. To verovatno nisu čak ni male sfere, već tačke u prostoru bez širine, visine ili dubine.
I kao objekat bez širine, on nema ništa što može da se okreće.
Dakle, na šta fizičari misle kada opisuju ‘okretanje’ čestice?
U ranim danima kvantne mehanike, brojni fizičari su razmišljali o ideji da li se čestice poput elektrona zaista okreću. Iako se ideja nije u potpunosti uklapala sa postojećim teorijama o ponašanju elektrona, bilo je nekoliko zapažanja u eksperimentima i manjih praznina u teoriji koja su govorila drugačije.
Jedna je činjenica da se putanja elektrona krivi kada naiđe na magnetno polje, kao da je i sam mali magnet. Ovo samo po sebi nije šokantna stvar – na kraju krajeva, pokretni naboji stvaraju magnetna polja.
Ali kada su dva nemačka naučnika po imenu Oto Štern i Valter Gerlah izmerili ovo polje u elektronima koji kruže oko jezgra atoma srebra početkom 1920-ih, otkrili su da se brojevi ne podudaraju. Elektroni su takođe morali da se kreću na licu mesta da bi to imalo smisla – morali su da se okreću.
Začudo, rezultati su implicirali da takvo okretanje stvara mala magnetna polja vrlo specifičnih orijentacija, striktno usmerena pravo nagore ili pravo nadole u odnosu na spoljašnje magnetno polje. Nikada nisu bili nasumično nagnuti na ovaj ili onaj način.
U međuvremenu, teoretičar po imenu Volfgang Pauli radio je na principu koji je pomogao da se objasni zašto neke čestice (kao što su elektroni i čestice u jezgru atoma) ne mogu da sede jedna na drugu dok zauzimaju isti prostor, dok druge (poput fotona) mogu .
Njegov ‘princip isključenja’ zahtevao je skup od četiri kvantna broja. Jedan je opisao energiju čestice. Druga dva su imala veze sa ugaonim momentom. Ali činilo se da se četvrto nije odnosilo ni na šta očigledno.
Mladi američki naučnik rođen u Holandiji po imenu Semjuel Gaudsmit će uskoro dati odgovor. Primenjujući nova tumačenja formula na spektralnim linijama u magnetnim poljima zvanim dubleti, on je nesvesno otkrio dokaze o kretanju elektrona koje je izgledalo neobično kao spin. Nije da je to prvo video – trebalo je mnogo dugih razgovora sa drugim mladim holandsko-američkim fizičarom po imenu Džordž Ulenbek da bi to bilo jasno.
„Ali, zar ne vidite šta ovo implicira? To znači da postoji četvrti stepen slobode za elektron“, slavno je odgovorio Ulenbek.
„To znači da elektron ima spin, da se rotira.“
Iako nisu bili prvi koji su razmatrali koncept, razgovor, zajedno sa rezultatima takvih teorija i eksperimenata, stvorio je jasan slučaj da se elektroni – između ostalih osnovnih čestica – rotiraju.
Ali ništa ne može biti tako jednostavno niz zečju rupu kvantne mehanike.
Čak i kada se termin spin koristio za opisivanje čudnog magnetizma elektrona i čudnih svojstava svetlosti, postojalo je nekoliko problema.
Ako bismo pretpostavili da su elektroni zaista sićušne sfere, brzina kojom bi morali da se rotiraju da bi odgovarali eksperimentalnim rezultatima značila bi da bi njihova površina morala da se vrti oko deset puta brže od brzine svetlosti.
Naravno, sada se misli da elektroni nemaju površinu. Međutim, saznanje da su fundamentalne čestice tačke u polju ne čini ga intuitivnijim. Kako se nulto-dimenzionalna tačka uopšte okreće?
Još zbunjujući su eksperimenti koje su sproveli Stern i Gerlah, koji uvek ukazuju samo u dva apsolutna pravca. Različite orijentacije ‘potpuno gore’ u odnosu na ‘potpuno dole’ sićušnog magneta čestice nije lako objasniti vrtložnim 3D objektom, koji se može malo nagnuti na ovu stranu, malo u onom pravcu, ili ubrzati i usporiti.
Drugim rečima, vrsta okretanja koja se odvija u elektronima nema ekvivalent u našem svetu vrhova, košarkaških lopti i planeta.
To bi moglo imati slične posledice, čineći čestice krive kao da imaju unutrašnji ugaoni moment i pretvarajući ih u čudnu vrstu šipkastog magneta. Ali šta god da se ‘spin’ desi, to je fundamentalno svojstvo upleteno u samu strukturu našeg Univerzuma.
