Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей

Спин электрона проявляет себя каждый раз, когда электрон оказывается в магнитном поле. Из-за наличия и спина, и заряда электрон реагирует на магнитное поле так же, как реагировал бы магнит: стремится ориентироваться вдоль магнитного поля. Такой магнит всегда одинаково сильный, ведь значение s фиксировано числом 1/2. А когда электрон находится в атоме, он, кроме того, проявляет свойства магнита во всех случаях, когда устраивается там в состоянии с ненулевым количеством вращения (это означает, что буква равна не нулю, а одному из значений 1, 2, 3, …). Это уже похоже на факт из обычной жизни: когда электрические заряды вращаются – в обычном, а не ускользающем «квантовом» смысле, – они создают магнит. Электрон в атоме не вращается вокруг атомного ядра точно в том же смысле, но его способ пребывания в атоме с любым , кроме нуля, тоже создает магнит – тем более сильный, чем больше это число . Таким образом, у электрона в атоме есть два способа проявить себя в качестве магнита: за счет интенсивности вращения , относящейся к состоянию в атоме, и за счет собственного спина, никак с атомом не связанного. По причинам, которые спрятаны довольно глубоко, спин электрона создает магнит в два раза эффективнее, чем количество вращения электрона в атоме. Это выражается в том, что формулы, по которым значение буквы s (да, равное 1/2) и значение буквы (уж какое случится) определяют силу получающегося магнита, практически одинаковы, но в случае спина там неожиданно появляется лишний множитель 2, усиливающий эффект спина в создании магнита.

В магнитном поле энергия электрона в атоме меняется, причем в зависимости от имеющихся у электрона квантовых чисел: интенсивности вращения и компоненты количества вращения вдоль магнитного поля m, а также компоненты спина вдоль магнитного поля (она часто обозначается s_z). Без магнитного поля состояния с разными , m и s_z имели одну и ту же энергию, но теперь их энергии различаются. Длина волны света, который излучается или поглощается атомом, определяется разностью энергий в состояниях «до» и «после», и поэтому свет, испускаемый атомами в магнитном поле, несет на себе следы этого магнитного поля, причем очень ясные. Спектральные линии расщепляются: вместо одной линии, говорящей об излучении на одной длине волны, в спектре появляется несколько близких линий[229].

Исторически спин электрона был, собственно говоря, открыт в попытке разобраться, что за ерунда происходит с расщеплением некоторых линий в магнитном поле: они вели себя не так, как полагалось бы только из-за зависимости энергии от m и (не очень простой) зависимости от . Да и сама картина с числами и m в тот момент не получила еще окончательной ясности, хотя многое было уже угадано. И уж конечно, в момент открытия спина электрона глубина всей истории про спиноры никак не осознавалась. Ростки будущего знания пробивали себе дорогу с первой половины 1920-х гг., участники событий двигались на ощупь, проявляя недюжинную наблюдательность и остроту ума.

О чем забывают историки – да и физики тоже – это что в открытиях в физике очень, очень большую роль играет случай, удача. Конечно, мы не всегда это признаем. Если кто-то богат, он говорит: «Да, я был умным, поэтому я и богат». И то же самое говорят про тех, кто сделал нечто в физике: «Да, действительно умный парень…» Надо, конечно, признать, что есть и такие случаи, как Гайзенберг, Дирак и Эйнштейн, – исключения случаются. Но для большинства из нас удача играет очень важную роль, и об этом не надо забывать.

А все это имеет отношение к делу, потому что, когда я прибыл в Лейден, я в конце концов попал к Эренфесту.