Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

Спин, как и обычный механический момент, всегда измеряют в единицах постоянной Планка, но эти слова опускают, говорят просто: спин равен половине, единице, полутора и т. д. Спин — понятие чисто квантовое, поэтому его невозможно описать в классических, привычных нам понятиях. Но очень приблизительно можно сказать так: частица со спином ноль выглядит одинаково со всех сторон, если частицу со спином один повернуть вокруг оси симметрии на 360 градусов, она вернется в исходное состояние, частицу со спином два нужно для этого повернуть только на 180 градусов (их можно изобразить картинками), а вот частицу со спином ½ нужно дважды полностью обернуть вокруг оси — представить ее картинкой уже невозможно!

Отметим также, что между частицами, имеющими такой спин, действуют, согласно Паули, сверхмощные силы, принципиально не позволяющие им достичь минимума потенциальной энергии — это положение, в частности, оказалось очень важным для астрофизики.

Существенно в связи с этой теорией и то, что спин может иметь также и атомное ядро, поэтому оно тоже влияет на расщепление атомных уровней, причем у разных изотопов одного и того же элемента это расщепление может быть разным — из-за разных спинов ядер изотопов. Отсюда, кстати, следует, что и химические свойства изотопов могут различаться, вопреки первоначальному мнению Бора о том, что химия от ядра не зависит. Это различие было использовано, через много лет, в одном из методов разделения радиоактивных изотопов.

Несколько ранее, в 1924 г. Эйнштейн получил странное письмо из Индии: некий Шатьендранат Бозе (1894–1974) просил просмотреть его соображения о том, какой статистике должны подчиняться фотоны и как можно выводить распределение Планка для них. Переведя письмо на немецкий, исправив несколько описок или ошибок и снабдив своим комментарием, Эйнштейн переслал статью в редакцию — и Ш. Бозе навсегда вошел в историю физики (никаких значительных его работ после этого не появлялось). В этой статье и в последующей, самого Эйнштейна, была построена квантовая статистика, т. е. распределение по энергиям (при заданной температуре) частиц с нулевым или целым спином. Теория эта называется статистикой Бозе-Эйнштейна, а все такие частицы с тех пор называются бозонами, газ из них называется бозе-газом и т. д.

Но если у частиц спин равен половине, то и статистика у них должна быть иной: по принципу Паули, они ведь не могут находиться в одинаковом состоянии. Распределение по энергии для них предложили почти одновременно Энрико Ферми и Поль Дирак (1926), оно называется статистикой Ферми — Дирака, а частицы, которые ей подчиняются — фермионами. И только в 1940 г. В. Паули окончательно доказал теорему: все частицы с целым спином подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна, а частицы с полуцелым спином — статистике Ферми — Дирака.

Таким образом, все частицы, которые уже известны или только могут быть открыты, делятся на два резко различных класса — фермионы и бозоны. (Сейчас обсуждается так называемая теория — точнее гипотеза — суперсимметрии, которая как бы пренебрегает этими различиями и рассматривает то общее, что может проявиться у фермионов и бозонов при очень больших энергиях. Но теория эта пока весьма далека от завершения.)

Бозе-конденсат можно передвигать как целое — весь вместе. И вот в 1995 г. Эрик Корнелл и Карл Виман смогли создать его из атомов рубидия и т. п. в разреженном газе при температуре 0,17 микрокельвин: в нем все атомы абсолютно одинаковы, находятся в абсолютно одинаковом состоянии и могут двигаться как нечто целое (Нобелевская премия 2001). Множество новых и неожиданных свойств такого конденсата сейчас активно исследуется.