Spin spina fizykę i... SPiN prof. Mariusz P. Dąbrowski
Co łączy ze sobą rowerzystę, łyżwiarkę i tancerza hip-hopu...
Ziemię, gwiazdę...
czarną dziurę w kosmosie...
z cząstkami w Wielkim Zderzaczu Hadronów?
Jest to obrót - po angielsku rotation lub spin Wszystko wokół nas jakoś się obraca (ruch obrotowy) no i oczywiście pędzi (ruch postępowy) W fizyce mówimy o pędzie (ruchu) oraz momencie pędu (wirowaniu)
Jeśli nie działają siły zewnętrzne w danym układzie, to zarówno pęd (ilość ruchu) oraz moment pędu (ilość wirowania) pozostają stałe! Te dwa prawa fizyki dają nam wiele praktycznych korzyści! korzyści
zasada zachowania pędu
zasada zachowania pędu
zasada zachowania momentu pędu
zasada zachowania momentu pędu Jeżeli nie kręcimy to moment siły ciążenia nas przewróci Z drugiej strony pozwoli nam skręcić gdy jedziemy
Moment pędu i moment siły aby zmienić kierunek obrotu danego ciała należy zadziałać siłą zewnętrzną
Pokazy Eureki - koło Maxwella szpulka model wirującej Ziemi koło rowerowe obracający się płyn wirówka zasada zachowania energii rower przemiana energii
Obrót i śruby - skrętność
Prawoskrętną wkręcamy w prawo Lewoskrętną wkręcamy w lewo
Ważne dla zrozumienia obrotu cząstek: śruba prawoskrętna porusza się do przodu gdy kręcimy w prawo śruba lewoskrętna porusza się do przodu gdy kręcimy w lewo
Spin to własny moment pędu cząstki Analogia obrót Ziemi wokół Słońca to moment pędu orbitalny, obrót Ziemi wokół własnej osi to spin, czyli własny moment pędu Ziemi
Jednak analogia nie jest dokładna i (Dzięki Bogu!) ratuje Wszechświat przed zapadaniem się na poziomie atomów Planety powoli spadają na Słońca poruszając się po spirali Elektrony pospadałyby błyskawicznie bo poruszają się z prędkościami porównywalnymi do prędkości światła WKRACZA MECHANIKA KWANTOWA KWANTOWY = NIECIĄGŁY, SKOKOWY Elektrony mogą być tylko na ściśle określonych orbitach ( poruszać się tylko po nich) Patrz: chemia
Stąd też wynika, że własny moment pędu cząstki, czyli SPIN musi mieć wartości skokowe (mówimy - skwantowane) Są cząstki o spinach całkowitych (0, 1, 2 ) - bozony oraz połówkowych (1/2; 3/2, 5/2 ) - fermiony Dwa fermiony nie mogą być w tym samym stanie kwantowym (np. na orbicie) tzw. zasada wykluczania Pauliego
Każde ciało we Wszechświecie jest złożone z fermionów (które nazywamy cząstkami materii) np. proton, elektron, kwark ale możemy je widzieć tylko dzięki bozonom (które nazywamy cząstkami oddziaływania) np. foton (cząstka światła), grawiton
Spiny cząstek - analogia? 0 - Tak samo wygląda ze wszystkich stron (np. bozon Higgsa) 1 tak samo wygląda po obrocie o 360 stopni 2 tak samo wygląda po obrocie o 180 stopni ½ - tak samo wygląda po obrocie o 720 stopni (dwa razy 360)
Skrętność cząstek (ang. helicity) Dodatnia (lub prawoskrętna) porusza się do przodu gdy kręcimy w prawo Ujemna (lub lewoskrętna) porusza się do przodu gdy kręcimy w lewo
Łatwo zrozumieć, gdy spin oznaczymy strzałką do góry i w dół Mechanika kwantowa daje tylko te dwie możliwości
Spin, symetrie i antymateria Naiwnie: Antymateria to materia o przeciwnym ładunku elektrycznym Poprawnie: Antymateria to materia o przeciwnych liczbach kwantowych (m.in. spinie)
Parzystość ładunkowa C spin nie ulega zmianie
Parzystość P (odbicie lustrzane) zamieniamy kierunki osi układu (prawoskrętny lewoskrętny)
Eureka: pisanie przed lustrem Powodzenia!
Antycząstka musi mieć też przeciwny spin CP (uwaga: nie trzymać obok bo zanihilują!)
Copyright: M. Dąbrowski, J. Stelmach, J. Typek
Odwrócenie kierunku czasu (symetria) T zmienia kierunek ruchu i obrotu (spinu)
Symetria T antycząstka porusza się wstecz w czasie (zmienia spin i ładunek)
Symetria CP równoważna symetrii T twierdzenie CPT (3 symetrie razem nie prowadzą do zmiany)
Supersymetria jest symetrią między cząstkami materii (spin całkowity) a cząstkami przenoszącymi oddziaływanie (spin połówkowy). Konsekwencje każda znana nam cząstka ma partnera supersymetrycznego (którego niestety do tej pory nie wykryto, choć szuka się intensywnie w Wielkim Zderzaczu Hadronów).
http://www.kopernik.org.pl/o-centrum/centrum-nauki-kopernik-w-polsce-i-naswiecie/spin/
Członkowie Porozumienia: Centrum Hewelianum (Gdańsk) Centrum Nauki EXPERYMENT (Gdynia) Centrum Nauki Kopernik (Warszawa) Centrum Nowoczesności Młyn Wiedzy (Toruń) EC1 Łódź - Miasto Kultury (Łódź) Fundacja Correspondance des Arts Muzeum Książki Artystycznej (Łódź) Fundacja Eureka im. Prof. Jerzego Stelmacha (Szczecin) Fundacja Park Śląski (Chorzów) Fundacja Profesora Ciekawskiego (Bydgoszcz) Fundacja Uniwersytet Dzieci (Kraków, Olsztyn, Warszawa, Wrocław) Gminny Ośrodek Kultury (Świnna) Humanitarium Ogrody Doświadczeń we Wrocławiu Instytut Badań Kompetencji EXPLORA PARK (Wałbrzych) Miejski Ośrodek Kultury (Olsztyn) Muzeum Inżynierii Miejskiej (Kraków) Muzeum Uniwersytetu Jagiellońskiego (Kraków) Olsztyńskie Planetarium i Obserwatorium Astronomiczne (Olsztyn) Centrum Popularyzacji Matematyki Signum przy Wydziale Informatyki Politechniki Białostockiej (Białystok) Regionalne Centrum Rozwoju Edukacji (Opole) Stowarzyszenie Twórcze i Edukacyjne WYSPA (Sopot) Stowarzyszenie Upowszechniania Wiedzy ExploRes (Rzeszów) Śląski Ogród Botaniczny (Mikołów) Zespół Placówek Oświatowych (Opole) Kielecki Park Technologiczny (Kielce) Uniwersytet Przyrodniczo-Humanistyczny w Siedlcach Miejskie Centrum Kultury w Bełchatowie Uniwersytet Śląski w Katowicach