Dos preguntas blandas sobre el espín y la naturaleza corpuscular de los electrones

Otra forma de ver el espín, complementaria a las otras formas, que encuentro útil es mirar una generalización abstracta del concepto de momento angular y olvidarse de cosas como los trompos clásicos. Esta generalización comienza en algo llamado Teorema de Noetherque probablemente aún no hayas conocido. Necesita algunos antecedentes, pero la idea es esencialmente simple. Si encontramos que la física de un sistema no cambia cuando le impartimos una transformación continua, entonces el teorema de Noether nos dice que debe haber una cantidad conservada para cada transformación continua. Por lo tanto, a la naturaleza no parece importarle si ponemos el origen de nuestro sistema de coordenadas aquí, allí o en cualquier punto intermedio. Podemos deslizar el origen de nuestro sistema de coordenadas, pero la física sigue siendo la misma. Aquí hay tres transformaciones continuas: deslizando el origen de coordenadas en el$x$,$y$o$z$direcciones. El teorema de Noether nos dice que hay tres cantidades conservadas correspondientes: estas son las que llamamos componentes del momento lineal. Del mismo modo, a la mayoría de las leyes físicas no les importa dónde ponemos el origen del tiempo: podemos deslizarlo continuamente hacia adelante y hacia atrás, pero la física no cambia. Hay pues otra cantidad conservada: esta es la que llamamos energía . Por último, si rotamos nuestro sistema de coordenadas, no cambiamos la física, por lo que hay tres cantidades conservadas, una para cada uno de los tres posibles ejes de rotación. Estos podemos definirlos como los componentes del momento angular.

Por lo tanto, podríamos imaginarnos seres inteligentes que no saben nada sobre peonzas y, sin embargo, aún podríamos predecir la existencia de un momento angular que se conserva para un sistema aislado. Los electrones, fotones, todo tipo de partículas todavía tienen esta propiedad porque su física (codificada en algo llamado su Lagrangiano) no cambia cuando impartimos transformaciones rotacionales en nuestro sistema de coordenadas descriptivo, incluso si no podemos imaginarlas girando. como un trompo. Nuestros seres inteligentes pueden no tener sentido de la vista y, por lo tanto, pueden no obsesionarse con la necesidad de ver las cosas "girar" ( es decir,engendrar una experiencia de sentido de la vista particular y muy notable que ayudó a nuestros antepasados ​​​​evolutivos a detectar el movimiento cuando cazaban o huían de los depredadores) antes de que declararan que esas cosas tenían un momento angular. Para tales seres, no existiría un concepto cotidiano de espín como el que tenemos nosotros: para ellos solo existirían cantidades conservadas cuya existencia se infiere al aplicar el teorema de Noether a la invariancia de la física con respecto a la rotación del sistema de coordenadas.

Recuerdo que me molestaba el mismo tipo de pregunta cuando era mucho más joven. Es posible que encuentre la afirmación de que algo deslocalizado como un electrón simplemente tiene un momento angular sin girar un poco, por lo que puede ayudarlo a saber que este pensamiento resultó ser muy preocupante para algunas mentes muy grandes. Wolfgang Pauli pensó que la idea era absurda precisamente porque todavía estaba pensando en bolas giratorias y, por lo tanto, calculó que la superficie de estas bolas tendría que girar a una velocidad superior a la de la luz para tener en cuenta el momento angular conocido. El giro mecánico cuántico se cita ampliamente como la primera propiedad cuántica descubierta que no tiene una contraparte clásica, por lo que, naturalmente, parecerá bastante extraño en la primera reunión.

El espín no se define como el espín del electrón alrededor de su propio eje. El espín es el momento angular intrínseco del electrón, lo que significa que no surge del movimiento del electrón, sino que es una propiedad del electrón mismo.

El electrón en el átomo "puede" describirse como una partícula si está utilizando el modelo de Bohr del átomo. La imagen mecánica cuántica del electrón es una descripción más precisa y debe usarse cuando se trata de objetos del tamaño de un átomo si puede manejar las matemáticas.

Los electrones nunca siguen los "principios de las partículas", por lo que parece referirse a la física de las partículas puntuales clásicas. Solo en ciertos casos una aproximación clásica es suficiente para propósitos humanos, es decir, cuando no nos preocupamos por las relaciones de incertidumbre que gobiernan los objetos mecánicos cuánticos.

En general, es mejor pensar en las partículas elementales como cuantos de un campo. Las interacciones físicamente medibles de este campo consigo mismo siempre están representadas por la presencia (y el intercambio) de uno o varios de estos cuantos. Son las simetrías de este campo cuántico las que dan lugar a cantidades conservadas como la carga y el momento angular, incluido el espín. Es la cuantización del campo lo que obliga a los cuantos a transportar cantidades fijas de estas cantidades conservadas.

El giro cuántico de una partícula solo representa otro grado de libertad (por ejemplo,$+/- 1/2$para electrones) y debido a su representación como un "operador de momento angular", se le conoce como "espín". Sin embargo, no es un análogo (o la revolución real de una partícula alrededor de su propio eje). Al menos no en un sentido clásico .

En resumen, representa otro grado de libertad (u otra dimensión si se quiere) de una partícula, que se puede representar como un " momento angular (gemerizado) ".

Una partícula en un nivel específico de descripción física puede tomarse como una partícula (clásica, puntual) (y no como un material distribuido, como una onda) cuando las dimensiones relativas del sistema general y la partícula permiten tal descripción. o el nivel de precisión de la descripción lo permite. En general, depende de la "longitud de onda característica" (longitud de onda de De-Broglie) de una partícula de onda material y su relación con las dimensiones del sistema general en estudio.