Что такое спин?

Если частица заряжена, например электрон, то естественна мысль о том, что у вращающейся заряженной частицы должен быть магнитный момент. Таким же будет вывод и для составной частицы, пусть даже в целом нейтральной, но состоящей из отдельных заряженных частей. Так и происходит, частицы представляют собой миниатюрные магниты. Они могут переворачиваться во внешнем магнитном поле, притягиваться или отталкиваться — все как настоящие магниты. Правда, представить себе, что именно вращается в элементарной частице, в том же электроне, нельзя: у электрона нет структуры.

Можно попытаться построить классический аналог электрона, формально приписав ему размер, но такое рассуждение приведет нас к вращению со сверхсветовыми скоростями. Поэтому физики называют спин внутренне присущим моментом импульса частицы. Для него нет правильной классической картины, это чисто квантовое явление. Но убедиться в его наличии не сложно, например, по расщеплению траекторий движения в магнитном поле. Для спинов, ориентированных вверх и вниз, траектории будут различны.

Как и все квантовые характеристики, спин может принимать только строго определенные значения. Спин принято измерять в долях постоянной Планка, и минимальное возможное значение спина соответствует ½ постоянной Планка. Но, как правило, физики говорят просто ½, 1, 2 и так далее. Более того, квантуется и проекция спина на любую выделенную ось. Отсюда возникает идея о возможности использования спина как квантового бита — его значения дискретны, а благодаря своей схожести с гироскопом спин может долго сохранять свое состояние.

Частицы, имеющие полуцелые и целые значения спина, имеют несколько разные свойства. Частицы, обладающие целым спином, восстанавливают свое состояние, если делают полный оборот, — это кажется абсолютно нормальным. Такие частицы называются бозонами и обладают удивительной способностью занимать большими группами одно и то же квантовое состояние. Такая ситуация называется конденсация Бозе — Эйнштейна и представляет собой крайне интересный для физиков объект для изучения. Простым примером состояния типа бозе-эйнштейновской конденсации является лазерный свет, ведь фотоны являются частицами со спином единица. Свойства лазерного света разительно отличаются от свойств, скажем, солнечного света или света лампочки: его можно хорошо сфокусировать, он распространяется слабо расходящимся пучком, спектрально яркий. Не совсем обычный свет, верно?

Частицы с полуцелым спином другие. Чтобы частица со спином ½ вернула свое состояние, ее нужно повернуть вокруг своей оси два раза — эта частица асимметрична. Такие частицы не могут занимать более одного состояния на частицу — они как бы избегают друг друга. Но не сложно сообразить, что если две такие частицы все же образуют пару, то их суммарный спин неизбежно образует целый спин. А значит, пары могут вести себя подобно бозонам. Действительно, так и происходит, подобный механизм лежит в основе явления сверхпроводимости и сверхтекучести.

Значение спинов в современной физике трудно переоценить. Они являются основой для построения квантовых вычислителей, различного рода датчиков, часов, они ответственны за свойства атомов и свойства материалов. Маленькие магнитики-гироскопы, прочно обосновавшиеся в нашей жизни.