რა არის სპინი?

მომაბეზრებელი განმარტება

 სპინი – (ინგლ.spin – ტრიალი, ბრუნვა, ბზრიალი) – ელემენტარული ნაწილაკის საკუთარი იმპულსის მომენტია, რომელსაც აქვს კვანტური ბუნება და არ ნიშნავს ნაწილაკის, როგორც ერთი მთლიანი წერტილის გადაადგილებას. სპინი არ არის ნაწილაკის მოძრაობა სივრცეში (ორბიტული მომენტისგან განსხვავებით, მაგალითად, ელექტრონის მოძრაობა ბირთვის გარშემო), ეს არის შინაგანი, კვანტური მახასიათებელი (როგორც მასა, მუხტი…) რომელიც ვერ აიხსნება კლასიკური რელატივისტური მექანიკით. სპინის მნიშვნელობა შეიძლება იყოს როგორც მთელი რიცხვი (ბოზონები s = 0, 1, 2, …) ასევე წილადი (ფერმიონები s = 1/2, 3/2…). ბოზონები, ურთიერთქმედების გადამტანებია (ფოტონი, გრავიტონი, გლიუონი…), ფერმიონებისგან კი ჩვეულებრივი მატერია არის აწყობილი (პროტონი, ნეიტრონი, ელექტრონი…).

რა ეშმაკებია ეს სპინი?

 ცდებით, თუ ფიქრობთ, რომ ეს შეკითხვა გადაჭარბებული ექსპრესიით არის დასმული. სპინი, კვანტური მექანიკის კიდევ ერთი ისეთი ცნებაა, რომლის გაგების მცდელობისას გვგონია, რომ ცხოვრებისეული გამოცდილება ან ინტუიცია დაგვეხმარება ამაში. ეს ასე არ არის, პირიქით, თქვენს ინტუიციას, თქვენს წინაშევე მოუწევს დაჩოქება. ასეთ საკითხებში ინტუიციას ნუ მიენდობით.

 გასაგებია, რომ რაღაც ბრუნვის მომენტის მაგვარზეა საუბარი. რა არის პლანეტის სპინი (ბრუნვა), ყველამ იცის. თუმცა, ელემენტარული ნაწილაკების შემთხვევში, ფიზიკოსები იქვე შეგვისწორებენ, რომ ეს ბრუნვის მომენტი ”არ უკავშირდება ობიექტის ბრუნვას სივრცეში”. როგორ გავიგოთ ეს? ანუ, ელექტრონი ბრუნავს და არც ბრუნავს?!

 კიდევ ერთი შეკითხვა იმავე კატეგორიიდან. სპინს აღწერენ, როგორც ბრუნთა რაოდენობას, რომლებიც ობიექტმა თავისი ღერძის გარშემო უნდა შეასრულოს, რათა დამკვირვებლის წინაშე ისევ იმავე სახით წარსდგეს. მაგალითად, ზარბაზნის ბირთვის სპინია  – 0, რადგან ის ყველა მხრიდან ერთნაირია. დედამიწის სპინია – 1, რადგან ერთი ბრუნის გაკეთების მერე იმავე კონტინენტის მხრით წარმოგვიდგება. ზოგიერთი ელემენტარული ნაწილაკის სპინი 15/2-ზეც კი ადის. როგორ უნდა გამოიყურებოდეს რეალურად არსებული მატერიალური ობიექტი, რომელიც მისივე ღერძის გარშემო 7-ჯერ უნდა შემოვაბრუნოთ, რათა ჩვენს წინაშე საწყისი (ბრუნვამდელი) სახით წარმოგვიდგეს?

 ნახევარი სპინის წარმოსადგენად, სამ განზომილებაზე უნდა გავიდეთ. ამაში, მებიუსის ლენტი დაგვეხმარება, რომელზეც ჭიანჭველა მიცოცავს. ერთი წრის შემოვლის მერე (360 გრადუსი) ჭიანჭველა იგივე წერტილში აღმოჩნდება, ოღონდ ლენტის საპირისპირო მხარეს. ზუსტად იგივე წერტილში დასაბრუნებლად, ჭიანჭველას კიდევ ერთი ასეთი წრის შემოვლა მოუწევს (720 გრადუსი).

 მაკროსკოპული (დიდი) ობიექტებისგან განსხვავებით, ელექტრონის ბრუნვის შეჩერება შეუძლებელია, მეორეს მხრივ, ვერც დიდ სიჩქარეებამდე გავზრდით მის ბრუნვას. სპინი არის ელემენტარული ნაწილაკის მახასიათებელი, რომელსაც ვერანაირად ვერ წავართმევთ მას.

 ეს იმის გამო ხდება, რომ კვანტურ მექანიკაში ბრუნვის მომენტიც იკვანტება. ანუ ბრუნვა, ობიექტებიდან-ობიექტებზე, მხოლოდ ჯერადად, ცალკეული პორციებით – ბრუნვის კვანტებით გადაიცემა.

 არც ელექტრონის სპინის სიჩქარის გაზრდაა შესაძლებელი, რაც სიჩქარის ზღვრულ მნიშვნელობასთან არის დაკავშირებული, ანუ სინათლის სიჩქარესთან. არცერთ მბრუნავ სხეულს არ შეუძლია სინათლისაზე მეტი სიჩქარით ბრუნვა. ამიტომ, ელექტრონს არც დამატებითი ბრუნვის კვანტების შთანთქმა შეუძლია, იმ მიმართულებით, საითაც იმ მომენტში ბრუნავს.

 დავუშვათ, ვიკვლევდით რა ელექტრონს, დავადგინეთ, რომ ის ქვემოდან ზემოთ ბრუნავს. თუ ქვემოდან ზემოთ ბრუნავს, მაშინ, ინტუიცია გვიკარნახებს, რომ არც მარჯვნივ იბრუნებს და არც მარცხნივ (ანუ ნულოვანი სპინი). მაგრამ, როგორც ზემოთ ავღნიშნეთ, ინტუიცია ვერ დაგვეხმარება. ირკვევა, რომ გაზომვების ნახევარი მის ”მემარჯვენეობას” გვიჩვენებს, ნახევარი კი ”მემარცხენეობას”. მარჯვენა და მარცხენა სრული შემთხვევითობით არის განპირობებული, რაც აინშტაინის აღშფოთებას იწვევდა (გაიხსენეთ მისი გამონათქვამი – ღმერთი კამათლით არ ითამაშებს).

 ელექტრონებს (და ყველა ფერმიონებს: კვარკები, პოზიტრონი, ნეიტრინო და ა.შ.) არ შეუძლია იყოს ერთსა და იმავე ადგილას, ერთი და იგივე სპინებით (სახელგანთქმული პაულის აკრძალვა). ატომის ბირთვის გარშემო მბრუნავი ელექტრონები, ერთნაირ კვანტურ მდგომარეობაში ვერ იქნება, ამიტომ სხვადასხა ორბიტებზე იკავებენ ადგილებს. ასე რომ არ იყოს, ელექტრონები ყველაზე დაბალ ორბიტებს დაიკავებდა, არც ქიმიურ ნაერთთა მრავალფეროვნება გვექნებოდა და ვერც სიცოცხლე გაჩნდებოდა (ქიმიურ ელემენტთა პერიოდული სისტემა).

 რაც შეეხება ბოზონებს. თუ ორ ბოზონს ადგილებს გავუცვლით, არაფერი შეიცვლება. მოაბრუნეთ ბოზონი მხოლოდ ერთჯერ და ყველაფერი საწყის მდგომარეობას დაუბრუნდება, მათი სპინი ნულის ტოლია, დღეისათვის უკვე აღმოჩენილი ყველა ბოზონი ასე იქცევა. შესაძლებელია ერთნაირი სპინის მქონე ბოზონების ერთად თავმოყრაც, ე.წ. ბოზე-აინშტაინის კონდენსატის სახით, რომელიც აბსოლუტურ ნულამდე გაცივებული ბოზონების გროვას წარმოადგენს.

 უცნაური რამ არის სპინი, ვერაფერს იტყვი. ის, გაცილებით სერიოზული და ფუნდამენტური მოვლენების ცენტრშია, ვიდრე ჩვენ შეგვიძლია წარმოვიდგინოთ (პოსტი დასახვეწია, გთხოვთ მიიღოთ მონაწილეობა).