Ce este spinul unei particule?

[Virgil]

    Daca electronul, in mecanica cuantica este considerat punctiform (adimensional), stiind ca are o masa de repaus bine determinata, inseamna ca are o densitate infinita. Este posibil acest lucru?
    Spinul electronului, reprezinta un moment cinetic, deci este nevoie de o masa in miscare. daca privim electronul ca pe o bila care se invarte in jurul unei axe, ar trebui ca viteza periferica de rotatie sa depaseasca viteza luminii, ceia ce nu poate fi adevarat, dar daca imaginam electronul ca pe un nor de substanta, asemanator unui roi de albine, in care fiecare albina se deplaseaza pe o elipsa cu viteza luminii, iar unul din focare  este chiar centrul roiului adica electronul punctiform, vom vedea ca un astfel de model poate avea moment cinetic, poate avea caracter de particula, dar in acelasi timp poate avea si caracter de unda. Se pune intrebarea, cine este corespondentul microcosmic al albinei? pentru aceasta trebuie sa ne imaginam eterul, sau vidul microcosmic, ca fiind un spatiu cu structura unui cristal, in care fiecare punct desi fix, joaca rolul unei albine, care imita deplasarea, prin orientare, asa cum piesele de domino, creaza impresia miscarii, fara sa se deplaseze, ci doar schimbandu-si orientarea prin cadere, deplasandu-se ca o unda.

[HarapAlb]

    Daca electronul, in mecanica cuantica este considerat punctiform (adimensional), stiind ca are o masa de repaus bine determinata, inseamna ca are o densitate infinita. Este posibil acest lucru?

Electronul nu este un punct geometric. Notiunea de "puntiform" nu trebuie inteleasa in sens de punct geometric, ci in sensul ca nu are structura interna. Din experimentele facute pana acum nu s-a pus in evidenta acest fapt, asa cum s-a petrecut in cazul protonilor si neutronilor.
In mecanica cuantica pozitia spatiala electronul (si a oricarei alte particule) are o valoare media si o dispersie (incertitudine), practic nu putem spune ca electronul este punctiform. De altfel nu se mai folosesc conceptele clasice de raza sau volum al unei particule, ci sectiunea eficace care masoara probabilitatea de interactiune (reprezinta cumva o generalizare  a  razei sau volumului).


PS: in fizica termenul de adimensional se refera la faptul ca o variabila, constanta sau un parametru nu are unitati de masura asociate (de ex. constanta structurii fine). Asocierea conceptului de punctului geometric cu adimensional pe care ai facut-o poate crea confuzii.

[Adi]

Foarte bine a explicat HarapAlb. As mai adauga ca pentru un corp macroscopic, spinul este asociat cu o miscare interna, dar pentru particule cuantice, desi nu se stie ca au structura, ele tot au spin, ca si cum ceva s-ar misca in interiorul lor, ca si cum ar avea structura ce s-ar roti in jurul axei sale. Ca si cum. Pana acum, desi am privit in detaliu materia, ca la un microscop prin acceleratoarele de particule, electronul pare tot particula elementara, care nu e constituita din alte particule. De aceea, deocamdata cel putin, spinul este o marime intrinseca, iar nu asociata cu miscarea a ceva. Un electron in repaus continua sa aiba spin. O particula nu este un punct, ci are dimensiuni foarte mici si are anumite proprietati, precum sarcina electrica, spinul, masa, dar si alte numere cuantice.

[Virgil]

Un punct nu are unitati de masura, este lipsit de dimensiuni, adica este adimensional. Electronul nu este un punct, este o particula mult mai mare ca neutrino, comparand sectiunile eficace ale celor doua particule. Desigur daca compari electronul cu o planeta, nu gresim prea mult daca spunem ca este un punct. Daca il comparam cu orice alta particula, el are dimensiuni, chiar daca sant sau nu cunoscute.
Personal am vrut sa imaginez un model care sa explice anumite proprietati ale electronului, asa cum sant diverse modele care explica proprietatile nucleului, si ca orice model este perfectibil, si stimuleaza crearea altor modele mai bune.
Si daca este vorba de forma, nu-mi imaginez electronul decat ca un elipsoid de rotatie, fie ca este in repaus sau in miscare, desi repaus absolut nu exista.
Spinul electronului, este o proprietate a particulei, care este pusa in evidenta in prezenta unui camp magnetic. Pentru ca orice particula are spin, cred ca spinul este cea mai subtila forma de interactiune a materiei cu campul.
Imaginativa un stadion pe care suporterii "fac valuri" ridicandu-se si asezandu-se periodic, apare o unda care se roteste, in timp ce toti participantii nu-si parasesc locurile. Ceva de genul acesta cred ca este spinul.

[Adi]

Nucleul are structura (este format din alte chestii mai mici), dar electronul nu este, din cate stim noi. Si altii s-au chinuit sa explice spinul electronului si au ajuns la concluzia ca nu poate fi explicat atata timp cat se stie ca electronul nu are structura. De aceea se considera ca fiind o proprietate elementara a particulei, asa cum este si masa. Dar ma bucur ca macar tu intelegi rolul de coliziuni de particule cu energie tot mai mare, caci atunci vom vedea la "microscop" tot mai in detaliu si poate vom descoperi o structura pentru electron.

[ionut]

      Virgil,
    Ia spinul ca si pe celelalte numere cuantice. Electronul mai are si sarcina electrica, numar cuantic leptonic, helicitate etc. Este foarte greu sa dezvolti modele intuitive care sa nu dea gres la un moment dat si intr-un fel este si contraproductiv. Cand iti place prea mult un anumit model atunci mintea ta se ingradeste putin si pierde din viziunea generala.
    Gandeste-te la spin in termeni de energie. Prin intermediul spinului, particulele interactioneaza intre ele si o particica din energia totala este stocata in acest grad de libertate. Cu cat o particula are spin intrinsec mai mare cu atat aceasta energie este mai mare. Totusi nu doar proportionalitatea asta conteaza. In posturile de mai sus s-a spus ca particulele cu spin intreg difera calitativ foarte mult de cele cu spin semi-intreg. Asta omoara ideea clasica a particulei ce se roteste in jurul propriei axe. O particula cu spin 1 nu este doar o particula ce se roteste de 2 ori mai repede decat o particula cu spin 1/2.

[Virgil]

In spatele fiecarei proprietati sta un fenomen fizic real care se cere inteles. Nu ma satisface ideia ca electronii au spinul 1/2 atat timp cat nu inteleg ce se afla in spatele spinului. Fiind vorba de o stare energetica, cum se transmite acesta stare in timpul reactiilor de dezintegrare, pentru ca sa se conserve spinul. In structura protonilor, nu se afla nici electroni nici neutrino, si totusi acestia apar ca din senin, in timpul dezintegrarii protonilor, neutronilor, etc. Cred ca secretul se afla in mediul din apropierea acestora. Nu se poate sa iei fenomenele ca atare si sa te multumesti, fara sa afli mecanismul din spatele acestora. Din pacate fiecare fizician nu face decat sa exprime atat cat este cunoscut stiintific fara sa aiba pareri personale.

[Adi]

Nu din pacate, ci din fericire, fizicienii vorbesc de ce zice Stiinta, iar nu ce pareri personale au! Confunzi lucrurile, Virgile. Parerile personale le poti mentiona, dar clarificand ca sunt doar pareri personale. Stiinta e una singura. Cand o idee este acceptata de majoritatea covarsitoate a cercetatorilor, atunci acel fapt e stiintific.

Stiinta din pacate nu poate explica multe intrebari de genul "de ce". Asta e. Poate pe viitor. Dar stiinta a explicat cel mai bine universul dintre toate. Deci e cel mai bun lucru ce il avem. Stiinta este descriptiva, adica descopera legile Universului, dar nu stie de ce sunt aceste legi. Reusim sa explicam legi particulare diverse prin cateva legi mai generale. Asta e bine. Ideal e sa intelegem toate legile stiintifice prin una singura (theory of everything). Totusi, suntem departe de asta. Si chiar si atunci ne vom intreba "si legea asta de e asa si nu altfel"?

Vezi ca pe langa spin mai sunt si alte numere cuantice. De exemplu, sarcina electrica, cum ti-o explici?

[Virgil]

Fiecare particula are tipul ei de sarcina. Atat timp cat toate particulele au antiparticule, intre acestea se vor manifesta forte de atractie. Orice aparitie de perechi particula-antiparticula, presupune un dezechilibru local al spatiului respectiv. Tendinta naturala a spatiului este sa revina in starea anterioara de echilibru, aceasta se traduce prin manifestarea fortelor de atractie si anihilare a perechilor de particule. Aceste forte de atractie se traduc prin sarcini.

[HarapAlb]

Fiecare particula are tipul ei de sarcina. Atat timp cat toate particulele au antiparticule, intre acestea se vor manifesta forte de atractie.
... Aceste forte de atractie se traduc prin sarcini.

Care este antiparticula fotonului ? Se atrag ele amandoua ?

[Adi]

HarapAlb, sunt sigur ca stii raspunsul intrebarii tale, dar vrei sa vezi daca stie Virgil, nu?

[ionut]

   Oamenii de stiinta au pareri personale Virgil. Toate presupunerile teoretice care inca nu au un raspuns de la experiment (confirmate ca sunt adevarate sau nu) sunt considerate a fi pareri personale. In domeniul ciocnirilor la energii inalte este plin de pareri personale, ba as putea spune cu oarecare exagerare ca exista doar pareri personale. Evolutia stiintei se bazeaza pe constructia de modele (care sunt presupuneri, pareri personale, ia-le cum doresti) care mai apoi sunt verificate experimental.

[ionut]

In spatele fiecarei proprietati sta un fenomen fizic real care se cere inteles.
Nu ma satisface ideia ca electronii au spinul 1/2 atat timp cat nu inteleg ce se afla in spatele spinului.

Aici ai dreptate, dar asta e situatia. Modelul cu particula ce se invarte in jurul axei proprii nu tine in toate cazurile asa ca nu este un model prea bun. Nu orice din stiinta poate fi modelat cu ajutorul notiunilor clasice, in special in mecanica cuantica. Trebuie sa intelegi ca orice are in spate un fenomen real, dar nu orice fenomen real poate fi explicat cu usurinta fara termeni abstracti (neintuitivi).

Fiind vorba de o stare energetica, cum se transmite acesta stare in timpul reactiilor de dezintegrare, pentru ca sa se conserve spinul. In structura protonilor, nu se afla nici electroni nici neutrino, si totusi acestia apar ca din senin, in timpul dezintegrarii protonilor, neutronilor, etc. Cred ca secretul se afla in mediul din apropierea acestora.

Atentie!! protonii nu dezintegreaza iar neutronii au un timp de viata extrem de lung la scara subatomica (cateva minute parca). In timpul reactiilor de dezintegrare se aplica legile de conservare care sunt respectate cu strictete. Aparitia unor particule precum electronul si neutrino prin dezintegrarea slaba a neutronilor este un fenomen extrem de rar care se datoreaza interactiei slabe. Un quark "down" din neutron emite un bozon virtual W- si se transforma intr-un quark "up". Ca urmare neutronul se transforma intr-un proton iar bozonul W- dezintegreaza mai departe intr-un electron si un anti-neutrino electronic.
Intuiesc ca ma vei intreba care este fenomenul/motivatia/motorul care produce acest eveniment. Ce il face pe neutron sa se transforme in proton prin intermediul acestei relativ complexe reactii. Nu stiu sa iti dau un raspuns frumos, dar iti pot spune ca din punct de vedere teoretic raspunsul este "pentru ca se poate! pentru ca energetic e posibil si pentru ca legile de conservare sunt satisfacute". In natura orice e posibil se si intampla mai devreme sau mai tarziu.

Nu se poate sa iei fenomenele ca atare si sa te multumesti, fara sa afli mecanismul din spatele acestora. Din pacate fiecare fizician nu face decat sa exprime atat cat este cunoscut stiintific fara sa aiba pareri personale.

Nimeni nu se multumeste cu nimic. Ce iti da impresia asta? Scopul stiintei este sa afle mecanismele din spatele fenomenelor observate experimental. Scopul principal al stiintei nu este sa explice orice fenomen pe intelesul tuturor, asta este treaba oamenilor care fac popularizare. Dar cum nu tot poate fi explicat corect in termeni ne-abstracti atunci exista dificultati in a explica si raspunde la orice intrebare. Din pacate unii folosesc aceasta "slabiciune" a stiintei pentru a o ataca sau pentru a ataca oamenii de stiinta, dar sper ca m-am facut inteles care e ideea.

[Adi]

Ionut, mi-a placut foarte mult raspunsul tau. Este clar si sper sa fi clarifict si interlocutorul notru.

[Virgil]

Eu nu denigrez pe nimeni, imi expun parerile pe forum pentru ca incerc sa inteleg ceia ce nu am clarificat. faptul ca apelez la exemple intuitive, ma ajuta sa-mi explic anumite fenomene fizice,desigur in anumite limite. Savantii au nevoie de precizie de aceia folosesc limbajul matematic, mecanica cuantica. Eu ca sa inteleg anumite fenomene ma folosesc de imaginatie, de exemple intuitive. In exemplul de mai sus ati numit "bozonul virtual", de ce virtual?, ori e, ori nu e. faptul ca etapele reactiei se petrec in timpi imperceptibili, nu inseamna ca in realitate fenomenele fizice petrecute nu se pot imagina, deruland cu incetinitorul faptele. Imaginatia este cel mai de pret lucru al omului, fara ea nu s-ar fi inventat nici surubul si nici naveta cosmica.