Фокусы-покусы квантовой теории

Дохлую ситуацию оживил Паули. Он непринуждённо разделался со спектральными мультиплетами, выдав свой принцип запрета: «Да не вздумай ты, атомарный электрон, иметь все значения квантовых чисел такие же, как и у хотя бы одного другого твоего собрата по атому!» Причём, чтобы охватить и спектральные дублеты в магнитном поле, Паули лихо довесил электрону четвёртое квантовое число, которое могло принимать два значения. Специалисты, уже обалдевшие от новых теоретических методов, не стали мучить Паули вопросами вроде «А откуда следует Ваш принцип запрета?» или «А каков физический смысл у четвёртого квантового числа?» Иначе было бы в зародыше удушено одно из самых выдающихся достижений квантовой теории – учение о спине.

Весьма кстати, четырьмя годами раньше, Штерн и Герлах получили интересный опытный результат. Они пропускали пучок атомов серебра (у которых один внешний электрон) через область с сильным неоднородным магнитным полем – и пучок там расщеплялся на два. Поскольку атомы электрически нейтральны, то казалось ясным, что расщепление было обусловлено силовым воздействием на магнитные моменты атомов – которые, по такому случаю, должны были быть ориентированы либо по магнитному полю, либо против. Эта интерпретация, казалось бы, решала проблему спектральных дублетов, если бы не одно «но»: никто не мог внятно разъяснить, каким это дивным образом атомы, влетавшие в область взаимодействия, имели лишь две противоположные ориентации из множества самых разнообразных.

И вот, будучи под впечатлением от публикации Паули про «четвёртое квантовое число», Гаудсмит и Уленбек испытали прозрение: результат Штерна-Герлаха становится, мол, куда понятнее, если вести речь не о магнитных моментах атомов, а о собственных магнитных моментах атомарных электронов. «Есть же у электрона ненулевой размер, - рассуждали они, – и распределён же по его объёму электрический заряд! Значит, чтобы у электрона был собственный магнитный момент, электрон должен делать что? Да вращаться вокруг своей оси!» Вот с идеей о таком вращении, которое в английском языке называется словом «спин», молодые люди и пришли к Эренфесту. «Любопытно! – прокомментировал тот. – А, главное, наглядно! Публикуйте!» - «Да боязно нам, кабы не засмеяли!» - «А что такое?» - «Да мы тут прикинули – линейная скорость вращения на периферии электрона должна во много раз превышать скорость света!» - «Хм… действительно, немного смешно. Знаете, что? Напишите-ка короткую заметку и дайте мне. А сами расскажите-ка всё это Лорентцу. Он ведь у нас главный по электронам-то!» Рассказали… Лоренц обещал подумать. Через несколько дней он передал Гаудсмиту и Уленбеку рукопись, где изложил, к чему приводит их идея. Получались страшилки какие-то: магнитная энергия вращающегося электрона должна быть столь велика, что эквивалентная масса превысит массу протона; а при обычной массе электрона, его радиус должен превышать радиус атома! Молодые люди кинулись к Эренфесту: «Верните нашу заметку, пожалуйста!» - «Это вы про вращающийся электрон? – осведомился тот. – Так я её сразу отправил. Она уже в печати!» - «Что вы наделали, герр Эренфест!» - «Да не расстраивайтесь. Посмеются-посмеются, да и умолкнут. А идея останется!»

Всё так и вышло. Надо было всего лишь не идиотничать, пытаясь представить себе наглядно, что такое спин – и тогда это понятие работало с потрясающей эффективностью. На спин электрона навесили ответственность не только за спектральные дублеты, но и за намагниченность ферромагнетиков, за сверхпроводимость, за сверхтекучесть, и за много-много чего ещё… На фоне этого обвального успеха, даже неловко упоминать о том, что никому не удалось на опыте доказать, что свободный электрон спином действительно обладает. Например, так и не удалось расщепить надвое пучок электронов. Пучок атомов расщепить – это пожалуйста, а пучок электронов – фигушки! Как интересно получается: силы взаимодействия спинов электронов с магнитным полем не хватает, чтобы растащить эти электроны – но зато хватает, чтобы растащить атомы, массы которых на пять порядков больше! Вы когда-нибудь видели лошадку, которая способна тащить железнодорожный состав, но не способна тащиться сама по себе, без полезной нагрузки?