И все пак електроните се въртят в квантовата физика

"Спинът" е фундаментална характеристика на основни частици като електрона и предизвиква представа за малка сфера, която се върти бързо около оста си като планета в смалена Слънчева система. Само че това не е така. Този познат термин от физиката обърква, особено защото на английски означава "въртеливо движение". А фундаменталните частици няма как да се въртят, защото електроните не са сфери от материя, а точки, описани от математиката на вероятностите.

Но един философ и физик от Калифорнийския технологичен институт твърди, че подобен подход към една от най-точните теории във физиката, основан на частиците, може да ни заблуждава.

Чарлз Т. Себенс (Charles T. Sebens) смята, че формулирайки основите на материята предимно в термините на квантовите полета, някои парадокси за частиците могат да изчезнат.

"В квантовата механика имаме начини за предсказване на резултатите от експерименти, които работят много добре за електроните и отчитат спина, но важни фундаментални въпроси остават без отговор: Защо тези методи работят и какво се случва вътре в атома?", коментира Себенс.

През по-голямата част от века физиците се опитват да осмислят резултатите от експерименти, които показват, че най-малките частици от реалността не изглеждат и не се държат като обектите в ежедневието ни.

Спинът е една от тези характеристики. Подобно на въртяща се билярдна топка, която се сблъсква с вътрешната стена на билярдна маса, той носи ъглов импулс и влияе върху посоката на движеща се частица. Но, за разлика от билярдната топка, спинът на частицата никога не може да се ускори или забави - и винаги е ограничен до определена стойност.

За да стане още по-трудно да си представите фундаменталната природа на материята, ошитайте се да приемете факта, че размерът на електрона е толкова малък, че той на практика няма обем. Ако беше достатъчно голям, за да има обем, отрицателният заряд, разпръснат в това пространство, щеше да разкъса електрона, отблъсквайки сам себе си.

Важно е да се отбележи, че дори и да предоставим на електрона като частица най-големия радиус, който експериментите позволяват, неговото въртене би изпреварило скоростта на светлината - нещо, което може да бъде или да не бъде решаващо в този мащаб, но за много физици е достатъчно, за да отхвърлят разговорите за въртящи се електрони.

Един от начините да се направи картината на фундаменталната физика малко по-лесна е да се опишат точките материя като действия, вплетени в тъканта на полето, и след това тези действия да се интерпретират като частици.

Квантовата теория на полето (КТП) прави това успешно, като вплита в себе си аспекти от Специалната теория на относителността на Айнщайн, класическата теория на полето и твърденията за частиците в квантовата физика.

Това не е спорна теория, но все още се водят спорове дали тези полета са фундаментални - дали полетата продължават да съществуват, дори ако изблиците, пулсиращи в тях, затихнат - или частиците са главните действащи лица, а полетата са само удобен сценарий.

На нас това може да ни се стори тривиално разграничение. Но за философи като Себенс последствията си заслужават да бъдат изследвани.

Както той обяснява в статия от 2019 г., публикувана в списание Aeon: "Понякога напредъкът във физиката изисква първо да се отдръпнем, за да преразгледаме, интерпретираме и ревизираме теориите, които вече имаме."

Това преразглеждане на квантовата теория на полето подчертава няколко съществени предимства на превръщането на полетата в приоритет във физиката пред подхода, ориентиран към частиците, включително модел, който преосмисля електроните по начин, който може да ни даде по-добра представа за тяхното поведение.

"В атома електронът често се изобразява като облак, показващ къде може да бъде намерен електронът, но аз мисля, че електронът всъщност е физически разпръснат в този облак", обяснява Себенс.

Тъй като е физически разпръснат в полето, а не ограничен в точка, електронът всъщност може да се върти и това ще е не толкова математическа конструкция, а повече физическо описание.

Въпреки че пак няма да е нещо подобно на малка планета в Слънчевата система, този въртящ се електрон поне ще се движи със скорост, която не оспорва никакви закони.

Разпадът на частици квантовата теория на полето. Изобразенаната издутината в зеленото поле е възбудена частица каон, а двете издатини в синьото поле са възбудените пиони. Веднага след прехода каон → два пиона, двата пиона са на едно и също място по едно и също време, но бързо се разделят, защото един квант каон има повече маса и енергия, отколкото два кванта пиони, така че движението на пионите допълна разликата. Илюстрация: coffeeshop physics, преведе и преработи: bgchaos

Как точно това дифузно разпространение на отрицателно заредена материя се предпазва от разпад е въпрос, на който Себенс няма отговор. Но като се фокусира върху полевите аспекти на разпръснатия електрон, той смята, че всякакви решения биха имали повече смисъл от въпросите, които възникват при частици с безкрайно ограничен обем.

Дали не е време за оспорване на няколко стари предположения, а може би дори за нова гледна точка за основите на физиката.

Справка: Sebens, C.T. The fundamentality of fields. Synthese 200, 380 (2022). https://doi.org/10.1007/s11229-022-03844-2 

Източник: This Physicist Says Electrons Spin in Quantum Physics After All. Here's Why, ScienceAlert