Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - [182]

O. Нам в нашей Вселенной «повезло» с тем, что ее основу составляют ненавистники себе подобных. Принцип запрета Паули заставляет материю организовываться разнообразными способами, а не одним-единственным, когда все «сваливается» в состояние с минимальной энергией. (Роль бозонов и фермионов в устройстве мира затрагивается также в приложении В.)

Мир разнообразен благодаря фермионам

Деление на бозоны и фермионы определяется внутренней природой полей и их квантов – как выяснилось, тем, в каких отношениях они состоят с вращениями в занимаемом ими пространстве-времени. За этими отношениями стоит довольно глубокий механизм, но вместе с тем они имеют и на удивление простое численное выражение: спин. Вообще спин – визитная карточка квантового мира. Это явление не без труда поддается описанию в наглядных терминах, но совершенно фундаментально для устройства вещей. Спин, помимо прочего, «спасает» Периодическую таблицу элементов, которую мы оставили в «недообъясненном» состоянии, не зная, откуда взять лишнее удвоение; поспешим же на помощь!

*****

Вращение без движения. В те начальные времена, когда я интересовался устройством мира совершенно любительски, черпая информацию откуда придется, что в основном означало всяческие словари и энциклопедии, начиная с Детской, меня неизменно разочаровывало сказанное там о спине. Спин, мол, это квантовое число, внутренне присущее (например) электрону. Дальше обычно прибавлялось, что спин не похож ни на что из того, что я, как читатель тех текстов, был в состоянии себе представить. Я оставался без нового знания, зато с неизменной прибавкой к чувству собственной неполноценности. Моя ближайшая задача на этой прогулке – добиться того, чтобы мои спутники в ответ на вопрос, что такое спин, немного подумав, ответили бы, что спин – это, да, некоторое квантовое число; но чтобы к этому можно было добавить больше, чем сказано в тех незадачливых энциклопедиях.

Спин был открыт как «небольшой кусок свободы», которым обладает каждый электрон. Как мы видели, согласно уравнению Шрёдингера стационарные состояния электрона в атоме определяются значениями трех целых чисел (n,

, m), которые отвечают за разрешенные значения энергии, интенсивности вращения и компоненты количества вращения вдоль одного направления (см. рис. 10.9). Из-за принципа запрета Паули несколько электронов в одно состояние поместить невозможно. Но благодаря спину в одном и том же состоянии, определяемом тройкой целых чисел, могут находиться два электрона, потому что они различаются между собой тем, как используют доступную им «внутреннюю свободу» – и таким образом ускользают от действия принципа Паули. Это то удвоение, которого ранее недоставало нам для объяснения Периодической таблицы.

Спин выражает внутреннее богатство поля

Источник спина – ранжирование фундаментальных полей во Вселенной по «внутреннему богатству» возможностей. Богатство или бедность квантового поля определяется количеством колебаний с разными «метками»: у простейшего поля есть один-единственный набор колебаний – бесконечный, но единственный. У более «богатых» полей таких наборов несколько. Суть дела передает нехитрая аналогия: вы приобрели в магазине набор каких-то полезных, как вы думали, предметов, занумерованных числами 1, 2, 3, … (которые продолжаются неограниченно, т. е., честно говоря, набор бесконечный); но дома обнаружилось, что они довольно бесполезны, пока вы не докупите другой набор, занумерованный как 1′, 2′, 3′, …; потом история повторилась и вам пришлось приобрести и третий, 1′′, 2′′, 3′′, …. Предметы 1, 1′ и 1′′, взятые вместе, уже составляют нечто цельное и осмысленное, а по отдельности, наоборот, бесполезны; и предметы 2, 2′ и 2′′ тоже и т. д. Другими словами, все ваше приобретение целиком надо воспринимать как бесконечный набор (1, 1′, 1′′), (2, 2′, 2′′), (3, 3′, 3′′), …, в котором сгруппированы однотипные предметы, снабженные разными метками (без штриха, с одним штрихом, с двумя штрихами).

Рис. 10.14. Стрелка на плоскости задается двумя своими составляющими вдоль выбранных опорных направлений. Два наблюдателя выбирают свои опорные направления по-разному, из-за этого одну и ту же стрелку представляют разные пары чисел, в выбранном примере – (5, 5) и (7, 1). Тем не менее знание угла поворота (в данном случае – 36,87°) позволяет преобразовать одну пару чисел в другую

В случае полей спин выражает аналогичное размножение количества колебательных систем за счет снабжения их разными метками. Ключевой момент – требование, чтобы группа «одинаковых» колебательных систем, различающихся только метками, составляла нечто цельное и осмысленное. Пример набора чисел, составляющих «нечто цельное и осмысленное», – три компоненты стрелки (вектора) в пространстве. Для простоты на рис. 10.14 изображена стрелка в двумерном пространстве, так что у нее не три, а две компоненты. Два числа – две компоненты каждой стрелки – определяются по отношению к каким-то опорным направлениям. Конечно, стоит только выбрать эти направления иначе, как пара чисел (в трехмерном пространстве – тройка чисел) изменится. Мы к этому готовы. В другом месте мы уже обсуждали, что если я лягу на бок напротив памятника Пушкину, а высотой буду по-прежнему называть направление от моих ног к голове, то ширина памятника Пушкину окажется его высотой; а если мне удастся сохранять положение под углом 45° к горизонту, то исходные высота и ширина как-то перемешаются. При поворотах как на рис. 10.14 пары чисел тоже не остаются неизменными, но меняются («перемешиваются»)