Спин электрона – шутка теоретиков.

Как отмечалось выше, на квантовых пульсациях электрона организованы два его фундаментальных свойства: масса (1.4) и элементарный электрический заряд (5.1). При таком, стопроцентном, использовании квантовых пульсаций электрона для задания его характеристических свойств, электрон не может иметь ни одного дополнительного характеристического свойства, поскольку у него нет необходимых для этого дополнительных внутренних степеней свободы.

Но в официальной физике утверждается, что ещё одно характеристическое свойство у электрона есть – это его собственный магнитный момент. Ключевым экспериментом, в котором, как полагают, проявились собственные магнитные моменты у атомарных электронов, стал опыт Штерна и Герлаха [Ш1] – с расщеплением пучка атомов серебра в неоднородном магнитном поле. Мы обсуждаем этот опыт в (7.8). На наш взгляд, допущенная авторами методологическая ошибка привела к тому, что их опыт ничуть не доказал наличие магнитных моментов у атомов серебра – а, наоборот, доказал отсутствие этих моментов, поскольку отнюдь не ими было обусловлено обнаружившееся расщепление пучка. А поскольку считалось, что магнитный момент атома серебра обусловлен собственным магнитным моментом его внешнего электрона, то, при таком подходе, опыт Штерна-Герлаха, фактически, доказал, что электрон не обладает собственным магнитным моментом.

Этот вывод для нас не удивителен, поскольку до сих пор отсутствует вразумительная модель, которая поясняла бы: чем же, физически, магнитный момент электрона обусловлен. Исторически, Паули формально, без предложения какой-либо физической модели, ввёл дополнительное квантовое число, характеризующее состояния атомарных электронов – чтобы описать расщепление спектральных линий атомов на мультиплеты. А Гаудсмит и Уленбек, для объяснения результата опыта Штерна-Герлаха на основе представлений о собственном магнитном моменте атомарного электрона, предложили-таки модель – но отнюдь не вразумительную. Гаудсмит и Уленбек полагали, что электрон имеет ненулевой размер, и что электрический заряд распределён по объёму электрона. Значит, чтобы у электрона имелся магнитный момент, электрон должен, мол, вращаться вокруг своей оси. Такое вращение называется в английском языке словом «спин». Сами авторы идеи о спине электрона сразу получили, что, для обеспечения требуемой величины магнитного момента, угловая скорость вращения электрона должна быть столь высока, что линейная скорость вращения на «экваторе» электрона во много раз превысила бы скорость света. А у Лорентца, которого попросили прокомментировать идею о спине электрона, всё получилось ещё хлеще: магнитная энергия вращающегося электрона должна быть столь велика, что эквивалентная ей масса превысила бы массу протона, а, при обычной массе электрона, его радиус должен превышать радиус атома!

Но теоретикам так понравилась идея о спине электрона, что они нашли беспрецедентное оправдание своему бессилию построить здесь разумную физическую модель. «Наши традиционные представления, - заявили они, - никуда не годные! Природа устроена гораздо интереснее, чем мы думали!» Это по поводу спина электрона Ландау выдал своё знаменитое изречение: «Сегодня мы можем постигать даже то, чего не можем вообразить!» Идеология была такая: не нужно пытаться представить себе наглядно, что такое спин – а нужно просто использовать это красивое понятие, чтобы оно работало в теориях! На спины электронов навесили ответственность не только за спектральные мультиплеты атомов, но и за намагничиваемость материалов, за сверхпроводимость… Это называется так: то, что понимали плохо, объясняли на основе того, чего не понимали вовсе. И этим чрезвычайно обогатили официальную физическую картину мира, ибо триумф концепции спина электрона был полный. Но правда-то всё равно рано или поздно обнаружится. И, действительно: парадоксальные свойства ультратонких магнитных плёнок определённо указывают на то, что спины электронов – даже если они существуют! – не играют никакой роли в намагничиваемости материалов (9.3). Что же касается сверхпроводимости – о, как же нам про неё врали и врут до сих пор (9.7)! Нигде они не востребованы, спины электронов!

И, кроме того, до сих пор никому не удалось на опыте показать, что свободный электрон спином действительно обладает (со свободными протонами – ситуация аналогичная). Неудивительно, что канули в неизвестность отчаянные попытки обнаружить на опыте хоть какое-то проявление спинов свободных электронов. Ясно, что эти попытки оказались неудачными – неспроста же теоретики кинулись сочинять оправдания этим неудачам. Так, Бор, обратившись к квантово-механическим представлениям на основе принципа неопределённости, огласил вердикт (см., например, [В1]) – обнаружить проявление спина свободного электрона, мол, принципиально невозможно, так что, мол, даже не пытайтесь. После этого, в спин электрона осталось только верить.

Но теоретики – публика своеобразная. «Наличие у электрона спина, - кричали они, - подтверждается тем фактом, что электроны подчиняются квантовой статистике!» Да неужели это факт? Давайте посмотрим. Из высоконаучных соображений следует, что частицы с полуцелым спином, который приписали электрону, обязаны подчиняться статистике Ферми-Дирака, описывающей их распределение по энергиям. Значения энергии дискретны (квантованы), и каждое из них могут иметь не более двух электронов – с противоположными спинами. Для электронов проводимости в куске металла, условие, задающее дискретные значения энергии, таково (см., например, [К1,К4]): на характерном размере этого куска должно укладываться целое число дебройлевских волн электрона: одна, две, три, и т.д. Если свободных электронов в куске металла столько же, сколько и атомов – как утверждает концепция электронного газа в металлах [К1,К4] – то можно прикинуть, какие энергии достаются последним парам электронов, если состояния по энергиям заполняются снизу и без пропусков. И получится тихий ужас: даже при низких температурах, практически все электроны проводимости в куске железа оказываются ультрарелятивистскими! Во славу статистики Ферми-Дирака, кусок железа испарился бы моментально! Поэтому теоретикам пришлось мухлевать. При том, что статистика Ферми-Дирака – это распределение по энергиям, состояния свободных электронов в металлах стали пересчитывать не по энергиям, а по импульсам. Секрет здесь в том, что энергия – это скаляр, а импульс – это вектор. Одну и ту же энергию позволили иметь, в виде исключения, толпам электронов – были бы по-разному направлены их импульсы. Этим трюком, к тихой радости теоретиков, резко сокращалось требуемое число состояний по энергии – которые, при таком повороте дел, уже не залезали в ультрарелятивистскую область. Однако, требования квантовой статистики на неодинаковость состояний электронов переключились на их проквантованные импульсы: один и тот же импульс, мол, могут иметь, опять же, не более двух электронов (с противоположными спинами). И вот такая статистика, уверяют нас, в металлах работает! Позвольте, электроны проводимости в металлах сталкиваются с атомами, отчего векторы их импульсов изменяются – по миллионам раз в секунду. Каким же образом из этого хаоса чеканится идеальный порядок, при котором каждое значение импульса имеют не более двух электронов? Каким образом, после каждого столкновения электрона с атомом, перетряхивается распределение по импульсам – для несметного числа электронов в куске металла?

Этот вопрос у теоретиков до сих пор не проработан. Вот как, оказывается, подчинение электронов квантовой статистике «доказывает» наличие у них спинов! Можно, конечно, прислушиваться к декларациям теоретиков о том, что они способны постигать даже то, чего не могут вообразить. Но, по-нашему, здесь всё гораздо проще, и вполне объясняется одним словом: «Заврались».