The Weird Quantum Property of 'Spin'

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Paul Sutter es astrofísico de la Universidad Estatal de Ohio y científico en jefe en el centro de ciencias COSI. Sutter también es el anfitrión de Ask a Spaceman y Space Radio, y lidera AstroTours en todo el mundo. Sutter contribuyó con este artículo a Expert.com Voces de Space.com: Op-Ed & Insights.

Podrías pensar que los electrones serían fáciles de describir. Mass. Charge. Bueno para ir. Esos dos pequeños números se pueden usar para describir toda una serie de fenómenos electromagnéticos. Pero los investigadores han aprendido que esas partículas son mucho más complicadas que eso.

Eso quedó claro cuando Otto Stern y Walther Gerlach dispararon algunos átomos de plata a través de un variado campo magnético en 1922 y vieron algo que no pudieron explicar. La configuración requería átomos de plata que fueran eléctricamente neutros, con la carga de sus electrones equilibrando perfectamente la de los protones. Si tuviera que ejecutar este experimento y no saber nada sobre la mecánica cuántica (a la Stern y Gerlach), podría esperar uno de dos resultados. [The 5 Most Ingenious Experiments in Astronomy and Physics]

En el resultado más aburrido posible, la neutralidad de los átomos anularía cualquier interacción con el campo magnético, y navegarían en línea recta a través del aparato sin siquiera parpadear.

Sin embargo, si las componentes del átomo se comportaran como pequeñas bolas de metal que no solo tuvieran masa y carga, sino que también pudieran girar sobre su propio eje, ese momento angular interactuaría de hecho con el campo magnético circundante, produciendo un torque . Este es un efecto electromagnético totalmente normal y conocido que puedes probar en casa, suponiendo que tienes campos magnéticos fuertes y bolas de metal que giran rápidamente.

Como cada átomo individual tendría un torque aleatorio en una dirección aleatoria, esa interacción extendería las trayectorias de los átomos, enviándolos salpicando contra una pantalla después de salir del campo magnético.

Stern y Gerlach se sorprendieron porque no obtuvieron ninguno.

Tomando un tenedor en el camino

En cambio, los dos científicos alemanes se encontraron mirando dos manchas distintas de átomos de plata depositados. En lugar de ir en línea recta, y en lugar de extenderse de manera uniforme, parecía que los átomos de plata habían conspirado para separarse en dos campos distintos, con un grupo dirigiéndose hacia arriba y el otro hacia abajo.

    

Los experimentadores fueron testigos de una de las primeras pistas en la cara de que el reino subatómico opera sobre reglas que están lejos de las familiares. En este caso, los efectos cuánticos estaban en plena vigencia, y los investigadores pronto se dieron cuenta de que los átomos (o más precisamente, las partículas que comprenden los átomos) tienen una propiedad previamente desconocida que solo se revela en presencia de un campo magnético.

Y como esos átomos se comportaban como bolas giratorias de metal cargado eléctricamente, a esta nueva propiedad se la llamó "giro". Y así, las partículas como los electrones de repente tenían tres propiedades: masa, carga y giro.

Sacarlo para un 'giro'

Y al igual que la masa y la carga, podemos realizar experimentos para descubrir la naturaleza de la propiedad del spin y cómo interactúa con las otras fuerzas y partículas en el universo. Y resulta que spin tiene algunas propiedades bastante extrañas de hecho.

Por un lado, la magnitud del giro de una partícula particular es fija. Por definición, los electrones tienen un giro igual a 1/2. Otras partículas pueden tener spin de 1, 3/2, 2 o incluso 0. Y la magnitud del giro de una partícula determina qué direcciones del giro realmente podemos medir.

Por ejemplo, una partícula de espín 1/2 como un electrón solo puede medirse para ser +1/2 o -1/2, correspondiente a las deflexiones hacia arriba y hacia abajo del experimento de Stern-Gerlach. Una partícula de spin 1, como un fotón, puede medirse para tener direcciones +1, 0 o -1, y eso es todo. Sé que es una notación confusa, pero vas a tener que culpar a los físicos que lo describieron hace cien años.

Tenga en cuenta que la dirección real del giro podría apuntar a cualquier parte: imagine una pequeña flecha etiquetada en cada partícula. La longitud de esa flecha se fija para cada tipo de partícula, pero solo se nos permite medir un número limitado de direcciones. Si la flecha apunta ligeramente hacia arriba, se registrará en cualquier experimento como +1/2. Si está un poco abajo o muy abajo, no importa, obtenemos -1/2. Y eso es todo.

Es como la navegación GPS más inútil del mundo: en lugar de darle direcciones precisas, solo le dicen: "Vaya al norte 500 pasos" o "Vaya al sur 500 pasos". Buena suerte encontrando ese restaurante.

Llevándolo al límite

Que ahí está la naturaleza perversa de la mecánica cuántica: limita fundamentalmente nuestra capacidad de medir cosas a pequeña escala.

Después de suficiente experimentación, las "reglas" del espín se agregaron al conocimiento científico de la física cuántica, desarrollándose simultáneamente en la década de 1920. Pero no era exactamente un ajuste natural. La formulación del mundo cuántico con el que la mayoría de la gente está familiarizada -digamos, la famosa ecuación de onda de Schrodinger que nos permite calcular las probabilidades de ubicación de partículas- no incluye naturalmente el concepto de spin.

    

El problema radica en el enfoque que adoptó Erwin Schrodinger cuando fue a descubrir todo este negocio cuántico. A principios de la década de 1920, la teoría de la relatividad especial de Einstein ya era una noticia antigua, y los físicos sabían que cualquier ley de la física debía incorporar eso. Pero cuando Schrodinger escribió una versión relativísticamente correcta de su ecuación, no pudo entenderlo y la abandonó por la versión menos correcta, pero aún viable, que conocemos y amamos. Aunque es increíblemente útil, la imagen de Schrodinger de la mecánica cuántica no incluye automáticamente ninguna descripción del giro: tiene que ser añadida sin elegancia.

                    
            

Pero al mismo tiempo, un cierto físico teórico llamado Paul Adrien Maurice Dirac también estaba desconcertando el mundo cuántico y fue totalmente aburrido con un enfoque de la mecánica cuántica que incluía la relatividad especial. Y a diferencia de su amigo Erwin, fue capaz de descifrar el código matemático y descubrir sus implicaciones. Una de esas implicaciones de unir la mecánica cuántica con la relatividad especial fue, lo adivinaste, girar. Sus matemáticas incluyeron automáticamente una descripción de giro. ¡Si lo hubiera resuelto unos años antes de los experimentos de Stern y Gerlach, podría haber predicho sus resultados!

En su lugar, descubrimos el giro cuántico a través de la experimentación, pero Dirac nos enseñó que para comprender esta extraña propiedad de la partícula debemos ponernos en un estado mental totalmente relativista y cuántico. Por muy tentador que sea, tenemos que descartar por completo cualquier pensamiento de que las partículas subatómicas sean diminutas bolas de metal que giran poco; su comportamiento es mucho más complejo de lo que la metáfora podría sugerir. De hecho, probablemente no haya metáforas útiles en absoluto.

Simplemente no hay una descripción clásica de esta enigmática propiedad. En cambio, el espín es una propiedad fundamental de nuestro universo, que se manifiesta solo en la intersección de la mecánica cuántica y la relatividad especial, sin metáforas macroscópicas. Solo a través de la maquinaria matemática de Dirac podemos hacer predicciones sobre los comportamientos de espín que necesitamos para hacer física. Por lo tanto, tenemos un desafortunado caso en el que la única forma de responder a la pregunta "¿Qué es spin?" es simplemente señalar las matemáticas de Dirac y encogerse de hombros.

Aprenda más escuchando el episodio "¿Cómo vamos a entender el giro cuántico?" en el podcast Ask A Spaceman, disponible en iTunes y en la Web en http://www.askaspaceman.com. ¡Gracias a Dean B., Pete E., @nirbnz, Kari Kale y @sowjuinil por las preguntas que llevaron a esta pieza! Haga su propia pregunta en Twitter usando #AskASpaceman o siguiendo a Paul @PaulMattSutter y facebook.com/PaulMattSutter. Síganos @Spacedotcom, Facebook y Google+. Artículo original en Space.com.

        

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