Каковы доказательства (экспериментальные наблюдения) того, что элементарные частицы обладают спиновым угловым моментом?

Возможно, лучше всего начать с классической точки зрения. В классическом электромагнетизме вращающийся электрически заряженный объект создает магнитное поле из-за того, что вращение заряженного объекта представляет собой движущийся заряд и, таким образом, технически представляет собой электрический ток (хотя это может быть и не то, что думают об электрическом токе ) . где заряды внутри материала текут по отношению к другим зарядам, которые остаются неподвижными, а здесь все находится в движении). Это закон Ампера.

Действительно, парень, в честь которого назван этот закон, был одним из тех, кто впервые косвенно наблюдал свидетельство того, что мы сейчас называем спином электрона. Видите ли, если вы возьмете объект, по которому течет электрический ток, включая вращающийся статический заряд, и поместите его в магнитное поле, на ток будет воздействовать сила благодаря закону магнитной силы,$\mathbf{F}_\text{mag} = q\mathbf{v} \times \mathbf{B}$, и это очевидно в случае с электромагнитами, где у вас есть электрическая цепь и через нее проходит ток. В то время существовала гипотеза о том, что электрические токи должны каким-то образом объяснять все магнитные поля, но если это так, то у нас есть кажущаяся проблема: существуют так называемые постоянные магниты , которые исторически были первыми наблюдениями магнитных полей. то, что мы теперь называем магнетизмом, вплоть до Древней Греции (термины «магнетизм» и «магнетизм» сами по себе происходят от названия места в Греции, Магнезия, где можно было найти много естественно намагниченных руд [магнетита]), и все же, кажется, не обладают обнаруживаемым внутренним током!

И это оставляет вопрос о том, как объяснить их, и Ампер предположил, что это происходит из-за так называемых микротоков (к сожалению, с еще большим эпонимизмом, также называемых амперовыми токами ) внутри материала, необычайно малых, постоянно текущих электрических токов. какой-то вид, каждый из которых должен был бы быть чем-то вроде крошечной петли, потому что в противном случае у вас был бы крупномасштабный ток, и каждый из которых производил бы маленький диполь, но в силу их феноменальной миниатюрности было бы невозможно обнаружить обычным инструментом. В некоторых материалах эти диполи выстраиваются в линию, и вы получаете крупномасштабное магнитное поле; в других они не вносят вклад, а вместо этого вносят свой вклад случайным образом, а поля в среднем практически равны нулю.

Таким образом, уже одно это дает сильный намек на то, что что-то в материале должно подвергаться некоему непрерывному движению, которое приводит к генерации этих магнитных полей; но было неясно, что это такое, пока лучшее понимание атомной структуры и природы электрических токов не было исследовано более тщательно, и электрон не был открыт и, что более важно, не был открыт, обнаружив, что он отделим от остальной материи (это обычно это делается с помощью термоэмиссионного клапана, т. е. вакуумной трубки: нагрейте нить накала, как лампочку, пока она не станет очень горячей — желтой, белой — и она будет кипеть электронами), что позволит ей двигаться по своей владеть независимо от материала и с тем, что доступно,

Конечно, после дальнейшей работы мы узнаем, что квантовая механика — это вещь, и поведение этих спинов — и всех других движений в атомном масштабе — очень сильно отличается от ньютоновской механики: с очень современной точки зрения мы бы сказали так: возникает из-за того, что ось вращения вращающегося электрона плохо определена относительно того, в какую сторону она указывает в пространстве, в свою очередь потому, что, как «элементарная система» (насколько нам известно), электрон может хранить только один бит информации . , а с одним битом у вас слишком мало, чтобы записать полное$(\theta, \phi)$пространственная ориентация пары действительных чисел для оси вращения объекта!

То есть, по сути, более ранняя стадия систематического разделения материи на более мелкие куски, как это продолжалось в исследованиях до сих пор.

Я отправляю этот комментарий в поле для ответов, потому что он не помещается в поле для комментариев. Так что я не отвечаю, а скорее пытаюсь уточнить вопрос, чтобы люди не думали, что я «двигаю ворота». Задать точный вопрос иногда сложно — это все равно, что пытаться проложить маршрут до пункта назначения, если я не знаю названий улиц.

Большое спасибо, Джон Кастер, за эту ссылку. Рассказ Гоудсмита начинается именно с загадки, которую пытается решить спин: расщепление альфа-линии Лаймана (переход 2P в 1S, приводящий к излучению света с длиной волны 121,6 нм). И отчет Гоудсмита полон «человечности», что делает абстрактное понятие теоретической физики более теплым и приятным. Но я бы хотел, чтобы было больше историй, рассказывающих о «других идеях, которые не увенчались успехом» для объяснения раскола.

Например, до сих пор загадочна сама идея о том, что «прыгающий электрон» испускает фотон. Что-то происходит в пределах размера атома водорода (120 пикометров), что создает длину волны в тысячу раз больше. Это расщепление указывает на два разных вида прыжка. Должна быть «еще одна степень свободы» (по словам Гоудсмита), чтобы объяснить тонкое разделение этой линии. Так что иногда прыжок происходит от чуть более высокой энергии, а иногда прыжок от чуть более низкой энергии. Хотел бы я услышать дискуссию между Паули, Гоудсмитом, Эренфестом и другими, чтобы понять, откуда они взяли идею «вращения».

Это могло быть что угодно. Почему не сказали, что у электрона есть два изомера или изотопа — большой и малый. Более крупный изомер дал бы немного большее изменение энергии и, следовательно, более короткую длину волны. Если вы начнете говорить о спине, то я ожидаю, что электроны с разными спинами будут немного по-разному отклоняться магнитом, но я не читал о бета-распаде, приводящем к двум различным путям электронов, когда магнит приближается. Таким образом, очевидно, что это «на самом деле не вращение», а скорее ярлык для свойства — аналогичного тому, что воображается для кварков — очарование, направление и т. д.

Вот почему я попросил провести эксперименты, показывающие угловой момент. Если вы действительно хотите поговорить о чем-то вращающемся, вы должны измерить его угловой момент по сравнению с чем-то другим, что, как вы действительно знаете, вращается.

И если «спин» просто используется как обозначение еще одной степени свободы, почему «изобретатели спина» стали использовать для его описания единицы углового момента?