www.sailing-dulce.nl

Logboek 2019/1 Winter in Gorinchem

Gorinchem (198)

Zaterdag 02-03-2019

'Spin' is een merkwaardig begrip in de theorie van elementaire deeltjes. Eigenlijk één van de moeilijkste. Jarenlang dacht ik dat spin te maken had met het ronddraaien van het deeltje, zoals een draaitol. Er was linker- en rechterspin, dus het kon negatief en positief zijn, net als bij electrische lading. Fout! Het heeft niets met rondtollen te maken. Wikipedia zegt dat 'spin' een intrinsiek quantummechanische grootheid is die op geen enkele wijze met de klassieke mechanica te beschrijven is. Wat het dan wel is, staat er eigenlijk niet. Paul Halpern legt het in zijn boek 'The Quantum Labyrinth' (Basic Books, 2017) heel anders uit. Het heeft volgens hem te maken met 'de sociabiliteit' van het deeltje. Oh.

     Het is gebruikelijk om de elementaire deeltjes in twee groepen te verdelen (er zijn nog meer indelingen). De gewone massadeeltjes zoals quarks, electronen en neutrino's heten Fermions (naar de beroemde fysicus Enrico Fermi), en de deeltjes die de natuurkrachten overbrengen zoals fotonen, gluonen, W+, W- en Zo en het Higgsdeeltje heten Bosons (naar de Indiase fysicus Satyendra Bose). Zie het schema van elementaire deeltjes hierboven, het fameuze Standaardmodel. Het begrip 'spin' van het electron werd in 1925 geïntroduceerd door twee Nederlandse fysici, George Uhlenbeck en Samuel Goudsmit. Zij meenden dat electronen daadwerkelijk als geladen tolletjes om hun as draaiden. De richting van de spin zou hun (magnetische) lading bepalen, positief (up) tegen de klok in, en negatief (down) met de klok mee. Maar dat bleek later fysisch onmogelijk. De snelheid van de spin zou sneller moeten zijn dan die van licht, wat niet kan. Dus weten we helemaal niet wat de eigenschap van spin is. Je denkt misschien dat dat vreemd is, maar dat geldt eerlijk gezegd ook voor electrische lading. Want wát precies is er 'negatief' aan een electron? Tja.

 

De mate van 'spin' is een essentieel deel van de quantumtoestand van een deeltje. Fermions hebben altijd een halftallige spin (1/2, 3/2, 5/2, ...), bosons een heeltallige spin (0, 1, 2, ...). Hoe dat leidt tot een verschil in 'sociabiliteit' van de deeltjes, weet ik niet precies. Fermions zijn volgens Halpern 'a-sociaal'; volgens hem houden ze altijd vast aan hun eigen quantumstaat. Die kunnen ze met geen mogelijkheid delen met een ander fermion. Dat heet het Uitsluitingsbeginsel van Pauli, naar de fysicus die het eveneens in 1925 formuleerde. Bosons zijn wel 'sociaal' en die kunnen het wel. Dankzij dat uitsluitingsbeginsel moeten electronen rond een atoomkern altijd eigen banen (en posities binnen die banen) bezitten. Door hetzelfde beginsel van uitsluiting kun je materie (atomen en moleculen) niet oneindig dicht op elkaar duwen. Het uitsluitingsbeginsel verzet zich daartegen, want anders zouden de electronen elkaars positie gaan innemen. Dat feit veroorzaakt dat materie stabiliteit bezit: zonder het uitsluitingsbeginsel zouden we door de vloer zakken.

     Hm, ik had het eigenlijk over iets anders willen hebben, maar dit is ook wel een verrassend inzicht. Kijk nu eens naar het lot van sterren. Kenrfusieprocessen leveren tegendruk tegen de zwaartekracht. Als alle nucleaire brandstof opgestookt is, valt de tegendurk weg en stort een ster in elkaar tot een witte dwergster of - bij zwaardere sterren - tot een neutronenster. De zwaartekracht dwingt de electronen superdicht tegen de protonen in de atoomkern aan. Ellectronen en protonen smelten samen tot neutronen, maar verdere versmelting wordt verhinderd door het uitsluitingsbeginsel, dat een andere tegenkracht levert, die ontaardingsdruk wordt genoemd. De energie voor die tegendruk is - geloof ik - niets anders dan die volgens de Wet van Boyle en Gay-Lussac ontstaat als materie op elkaar wordt geperst. Of de enorme zwaartekracht bij het onstaan van zwarte gaten de tegendruk overwint? Zeker wel, dat gebeurt als de Oppenheimer-Volkofflimiet wordt overschreden. dat is de maximale massa die een neutronenster kan hebben om te bestaan. Het is fascinerend hoe beginselen en eigenschappen uit het extreme microniveau van deeltjes de grootste fenomenen uit de macrowereld bepalen.

 

Vandaag een grijze dag zonder regen. Anna had een slechte nacht en ook een slechte dag. Oorzaak: de migraine die ze om de 10 à 14 dagen heeft. Dus naast de slaaphoofdpijn waar ze vrijwel iedere nacht aan lijdt. Ik doe een boodschapje in de stad. Het carnaval in onze Bliekenstad lijkt ieder jaar minder te worden. Slechts zeven praalwagens - nou ja, praalkarretjes - trekken 's middags voorbij op het Eind. Ze produceren wel veel hoempapa, maar mijn indruk is dat de jonge generaties er niet zoveel in zien. Kleinkind Esri (14) is vandaag jarig, maar Anna's conditie maakt dat we vanavond thuis blijven. Terug naar boven