Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов

Однако это магнитное свойство оказывает уже более значимое воздействие, когда две частицы со спинами можно заставить находиться друг возле друга чуть дольше. Если мы возьмем электрон и позитрон – положительно заряженную версию электрона из мира антиматерии – и подведем их близко друг к другу, они могут создать «атом» с коротким сроком существования, удерживаемые рядом притяжением между их зарядами. Как в обычном атоме, две частицы могут понизить свою энергию, приблизившись еще больше друг к другу, но заключение их в очень маленьком объеме приводит к увеличению их кинетической энергии, и баланс между этими двумя силами определяет оптимальный размер атома. Их взаимное притяжение держит электрон и позитрон в этом «атоме позитрония[215]» достаточно близко, чтобы их магнитные взаимодействия произвели значимый (измеримый) эффект. Минимальное энергетическое состояния для позитронного атома расщепляется на два состояние в зависимости от взаимного расположения спинов электрона и позитрона: когда оба северных полюса направлены в одном направлении, энергия слегка выше, и когда они направлены в противоположном направлении, энергия уменьшается. Это «супертонкое расщепление» между этими состояниями было измерено экспериментально: позитрониум имеет спектральные линии в микроволновом диапазоне спектра, соответствующего фотонам с частотой порядка 203 ГГц.

Это магнитное взаимодействие также вступает в игру в более простой материи. Протон также имеет квантово-механический спин и, таким образом, создает магнитное поле, так что электрон, связанный с протоном, чтобы создать атом водорода, также может смещать свою энергию за счет магнитного взаимодействия между ними, при этом состояние минимальной энергии для водорода расщепляется на два состояния. Энергия расщепления соответствует фотону с частотой в 1.4 ГГц в радиодиапазоне спектра[216], и свет, излучаемый водородом, переходящий между этими состояниями, – один из наиболее принципиальных инструментов, используемых радиоастрономами для изучения далеких облаков водородного газа.

Энергия магнитного взаимодействия в обоих этих случаях – лишь очень маленькое возмущение для электростатического взаимодействия – разница энергий между двумя сверхтонкими уровнями в позитрониуме составляет примерно 1/10000-ную от разницы между энергиями двух самых нижних энергетических орбиталей электрона. Вот почему оригинальная модель Бора могла полностью пренебрегать магнитными взаимодействиями: на уровне фундаментальных частиц электростатическое взаимодействие полностью перекрывает любой магнитный эффект. Если мы поднимаемся на уровень[217] атомов, состоящих из многих электронов, ситуация становится более сложной, и поскольку здесь вступает в игру принцип запрета Паули, огромная сила электростатических взаимодействий становится критически важным фактором для создания атомов и минералов.

Магнитные атомы

Одна из соблазнительных, но неправильных мыслей о происхождении магнетизма на уровне атомов – представлять магнетизм как результат передвигающихся по орбитам электронов наподобие тока в электромагнитах. Несмотря на то, что это отлично совпадает с уравнениями Максвелла в классическом электромагнетизме, практика показывает, что это неверно. Каждый атом во Вселенной состоит из электронов, перемещающихся по орбитам ядра, но только горстка элементов в средней части Периодической таблицы проявляет магнитные свойства. Магнетизм в атомах не может быть только результатом электронных орбит[218].

Идея орбитального движения как источника магнетизма лежала в основе оригинального эксперимента Штерна-Герлаха, который обсуждался в главе б, когда пучок атомов серебра расщеплялся специальным магнитом. К сожалению, как обнаружили физики, теория не совпадает с поведением атомов – различия в орбитальном движении должны расщеплять пучок как минимум на три компонента, в то время как Штерн и Герлах наблюдали только два. Их результат помог указать на существование свойства электрона только с двумя значениями, а именно, спин. Для наших целей это также является четкой подсказкой, что магнетизм в атомах возникает в конечном счете благодаря спинам их электронов[219].

Создание магнитного атома, в таком случае, есть вопрос получения маленьких магнитных полей, создаваемых электронами внутри атома таким образом, чтобы они складывались и получался большой магнит. Это означает, что надо получить спины электрона, указывающие в одном и том же направлении, чтобы их «северные полюса» совпали. Этой задаче, однако, препятствует одно серьезное обстоятельство: магнитное взаимодействие между электронами предпочитает состояния, когда спины направлены в противоположных направлениях.