29. Взаимодействие и вращение.
Сначала две цитаты из Интернета:
http://www.cultinfo.ru/fulltext/1/001/008/117/822.htm:
Фуко маятник, маятник, используемый для демонстраций, подтверждающих факт суточного вращения Земли. Ф. м. представляет собой массивный груз, подвешенный на проволоке или нити, верхний конец которой укреплен (например, с помощью карданного шарнира) так, что позволяет маятнику качаться в любой вертикальной плоскости. Если Ф. м. отклонить от вертикали и отпустить без начальной скорости, то, поскольку действующие на груз маятника силы тяжести и натяжения нити лежат всё время в плоскости качаний маятника и не могут вызвать её вращения, эта плоскость будет сохранять неизменное положение по отношению к звёздам (к инерциальной системе отсчёта, связанной со звёздами). Наблюдатель же, находящийся на Земле и вращающийся вместе с нею, будет видеть, что плоскость качаний Ф. м. медленно поворачивается относительно земной поверхности в сторону, противоположную направлению вращения Земли. Этим и подтверждается факт суточного вращения Земли.
http://oval.ru/enc/18678.html:
Гироскоп (БСЭ, цитаты):
Первое свойство уравновешенного Гироскопа с тремя степенями свободы состоит в том, что его ось стремится устойчиво сохранять в мировом пространстве приданное ей первоначальное направление. Если эта ось вначале направлена на какую-нибудь звезду, то при любых перемещениях основания прибора и случайных толчках она будет продолжать указывать на эту звезду, меняя свою ориентировку относительно земных осей. Впервые это свойство Гироскоп использовал французский ученый Л. Фуко для экспериментального доказательства вращения Земли вокруг ее оси (1852). Отсюда и само название "Гироскоп", что в переводе означает "наблюдать вращение".
На самом деле из этих экспериментов с маятником и гироскопом следует более важный вывод нежели доказательство вращения Земли вокруг её оси. Эти данные свидетельствуют о том, что в мире существует абсолютная инерциальная система отсчёта, относительно которой всё движется. Относительно чего сохраняется неизменное положение плоскости маятника и направление оси гироскопа? Очевидно, не относительно Земли (что и позволяет установить факт её вращения), не относительно Солнца и не относительно звёзд, которые сами движутся. Просто системы Земли, Солнца и совокупности звёзд - это последовательные приближения к абсолютной системе отсчёта. Похоже, что и плоскость качания маятника и направление оси гироскопа покоятся (сохраняются) именно относительно этой абсолютной системы отсчёта. Как-то слишком просто, или я ошибаюсь?
(Заметка на полях: «Хоть я во многом и ошибаюсь, но я пытаюсь, понять стараюсь.»)
(Мысли между прочим) Могущество и бессмертие. Если процесс возникновения и эволюции Вселенной был запущен неким Создателем (Богом, Творцом), то это говорит о его могуществе. Ещё большее могущество требуется для контроля этого процесса. Следующей ступенями могущества являются инициация возникновения живой материи и контроль её развития. Наибольшее могущество требуется для обеспечения бессмертного (или сколь угодно долгого) существования живой материи. Однако нам этого мало. Нам хочется, чтобы могущество Создателя было способно обеспечить бессмертие отдельных личностей (нас грешных). И похоже, что эта задача потрудней всех остальных. Можно многое запустить, создать или контролировать, но обеспечить бессмертное существование отдельных личностей?.. Это может быть не по силам Создателю, который может всё остальное. Бессмертие означает остановку в развитии. Живая материя потому уже довольно долго существует, что постоянно развивается за счёт смены (смерти) отдельных индивидуумов на более развитые особи. Интересно в связи с этим отметить, что эволюция, как установлено, всегда направлена в будущее и нет данных о возвращении в прошлое, развитии эволюции в обратном направлении. Бессмысленность и вред для эволюции создания бессмертных существ кажутся вполне очевидными. Так что надежд на бессмертие, увы, маловато. Если, однако, не предположить что бессмертные личности окажутся способны к дальнейшему развитию. Может, это выход? А как хочется ещё пожить!
Не знаю, как у кого, но у меня время от времени появляются мысли о некоторой нарочитости нашей жизни. Как будто ты всё время участвуешь в какой-то затянувшейся пьесе. Это что, признак приближающейся болезни Альцгеймера или просто натурально «едет крыша»?
Похоже на то, что в основе движения материи во Вселенной лежит вращение. Вернее, в более широком смысле, криволинейное движение. Вспоминается анекдот о верблюде. Его спросили: «Верблюд, а почему у тебя шея кривая?». На что верблюд ответил: «А что у меня прямое?». Так и Вселенная. Всё вращается, начиная от созвездий и кончая частицами. У вращательного движения много схожего с прямолинейным движением. Например, если на вращающееся тело не действуют другие тела, то сохраняется состояние покоя или равномерного вращения, чем массивнее вращающееся тело, тем труднее изменить скорость его вращения. Есть, правда и особенность: в отсутствие действия других тел сохраняется и направление оси вращения, видимо, относительно мирового пространства (см. Гироскоп).
Описание вращательного движения малых (элементарных) частиц имеет свои особенности. Это, во-первых, может быть движение частицы по орбите вокруг другой частицы, например, электрона вокруг ядра атома. Во-вторых, это может быть вращение частицы и/или составляющих её частей вокруг оси частицы (осей составляющих её частей, т.е. осей, проходящих внутри частицы или её частей). И первое и второе оказывается достаточно сложным как в представлении, так и в описании. Тем не менее приходится с этим разбираться, т.к. оба этих вида вращения определяют как движение, так и взаимодействие частиц.
Википедия: «Любая частица может обладать двумя видами углового момента: орбитальным угловым моментом и спином.
Моме́нт и́мпульса (кинетический момент, угловой момент, орбитальный момент, момент количества движения) характеризует количество вращательного движения. Величина, зависящая от того, сколько массы вращается, как она распределена относительно оси вращения и с какой скоростью происходит вращение. Момент импульса частицы относительно некоторого начала отсчёта определяется векторным произведением ее радиус-вектора и импульса:
где - радиус-вектор частицы относительно выбранного неподвижного в данной системе отсчета начала отсчёта, - импульс частицы.
И́мпульс (Количество движения) - векторная физическая величина, характеризующая меру механического движения тела. В классической механике импульс тела равен произведению массы m этой точки на её скорость v, направление импульса совпадает с направлением вектора скорости:
.
Спин в квантовой механике обозначает собственный момент импульса отдельных элементарных частиц и их связанных состояний в виде ядер и атомов. В отличие от орбитального момента импульса, спин не связан с перемещением в пространстве центра инерции частицы, и является её внутренней характеристикой. Поскольку спин является вектором, он имеет направление в пространстве и отражает вращение составных элементов частицы. У ядер и атомов спин определяется по правилам квантовой механики как векторная сумма орбитальных и спиновых моментов импульса составляющих частиц, с учётом квантования проекций моментов импульса.»
С моментом импульса тел или макрочастиц вроде бы всё понятно. Если частица (тело) движется по круговой орбите, то её момент импульса равен произведению массы частицы (тела) на скорость её движения по орбите и радиус орбиты. Если же частица (тело) вращается либо как целое вокруг оси, проходящей через центр её масс, либо происходит вращение составных частей внутри самой частицы, либо и то и другое, то совокупность вращений частицы как целого, так и её частей создаёт собственный момент импульса частицы, называемый её спином. Однако в случае микрочастиц всё как-то усложняется. Во-первых, оказывается, что величины орбитального момента и спина могут иметь не любые, а т.н. квантованные значения, т.е. меняться не непрерывно, а скачками. Во-вторых, о скорости движения по орбите и её радиусе можно говорить только приближённо, чему мешает т.н. принцип неопределённости Гейзенберга. А в случае спина остаётся неясным, что можно вообще сказать о вращении частицы и её частей, определяющем спин.
Викизнание:
«Поскольку физическая интерпретация спина у электрона была неясна с самого начала (и это имеет место до сих пор), в 1925 г. Ральф Крониг (ассистент известного физика Альфреда Ланде) высказал предположение о спине как результате собственного вращения электрона. Однако согласно Паули, в таком случае поверхность электрона должна вращаться быстрее скорости света, что кажется невероятным. Тем не менее осенью 1925 г. Дж. Уленбек и С. Гаудсмит постулировали, что электрон обладает спином в единицах постоянной Дирака , и спиновым магнитным моментом, равным магнетону Бора. Это предположение и было принято научным сообществом, поскольку удовлетворительно объясняло известные факты.»
Удивительный подход! Коль скоро нельзя объяснить наличие вращательного момента электрона его вращением, просто постулируем его, причём то значение, которое «удовлетворительно объясняет известные факты». Похоже, что действительно значение спина частицы определяется не только вращением её как целого, но и наличием внутренних вращений её частей, как говорится в цитате из Викизнания.
Ещё цитата из Викизнания:
«В теории элементарных частиц обычно предполагается, что фотон, электрон и кварки не делятся на более мелкие части и являются самыми «элементарными». Однако спин, который приписывается этим частицам, слишком велик, чтобы его можно было объяснить вращением составляющего вещества при известных оценках размеров частиц. Поэтому для этих частиц спин полагается некоторым внутренним свойством, наподобие массы и заряда, требующим особого, пока ещё не известного обоснования.»
Хотя не очень понятно, что вращается в элементарных частицах, тем не менее это вращение определяет наличие у частиц спина - собственного момента импульса, определяемого этим вращением. И значение этого спина определяет один из видов взаимодействия частиц, именно:
Википедия:«Обменное взаимодействие - взаимодействие тождественных частиц в квантовой механике, приводящее к зависимости значения энергии системы частиц от ее полного спина. Представляет собой чисто квантовый эффект, исчезающий при предельном переходе к классической механике. Характер обменного взаимодействия между частицами с целым спином (бозонами) и полуцелым спином (фермионами) различен. Для фермионов характер обменного взаимодействия обусловлен принципом Паули, согласно которому два фермиона не могут находиться в совершенно одинаковых состояниях. Принцип Паули запрещает двум электронам с параллельными спинами находиться в перекрывающихся допустимых областях. Поэтому на малых расстояниях порядка длины волны Де-Бройля между электронами, спины которых параллельны, возникает как бы дополнительное отталкивание. В случае антипараллельных спинов возникают силы притяжения, которые играют важную роль при образовании химических связей между атомами. При образовании некоторых молекул, в частности воды и водорода, определенную роль играет обменное взаимодействие между протонами. Обменное взаимодействие характерно для всех фермионов и существует независимо от того, имеются ли между ними другие взаимодействия. Противоположный характер имеет обменное взаимодействие бозонов: чем больше бозонов находится в данном состоянии, тем с большей вероятностью в это состояние переходит еще один бозон. Это равносильно эффекту притяжения бозонов.
При наличии обычных сил между частицами обменное взаимодействие приводит к изменению силового взаимодействия. Электростатическое отталкивание электронов в атоме оказывается ослабленным по сравнению с тем, каким бы оно было без учета спина электронов. Интенсивность обменного взаимодействия определяется степенью перекрытия областей, допустимых для частиц в их состояниях. Чем больше различаются состояния частиц, тем меньше это перекрывание и тем слабее обменное взаимодействие между частицами. Поэтому обменное взаимодействие играет большую роль в конденсированных, сжатых системах, чем в разреженных. Если тождественные фермионы находятся во внешнем поле, то обменное взаимодействие уменьшает их энергию в этом поле. Именно благодаря обменному взаимодействию в ферромагнетике возникает состояние спонтанной намагниченности (магнитные моменты электронов направлены противоположно их спинам). Обменная энергия - это добавка к энергии системы взаимодействующих частиц в квантовой механике, обусловленная значением полного спина системы частиц. Обменная энергия не имеет никаких аналогов в классической механике.»
Хотя и нет, как утверждается, обменному (спиновому) взаимодействию аналогов в классической механике, попробуем как-то это наглядно представить. Во-первых, взаимодействие ощутимо только при малых расстояниях между частицами, можно сказать, при их непосредственном контакте. Во-вторых, в случае фермионов, за счёт этого взаимодействия частицы отталкиваются, когда крутятся в одну сторону, скажем по часовой стрелке (спины параллельны), либо притягиваются когда одна частица крутится в одну сторону (по часовой стрелке), а другая - в другую (против часовой стрелки). Это похоже на взаимодействие двух одинаковых шестерёнок. Когда они не касаются, то никак не влияют друг на друга. Однако, стоит шестерёнкам перейти в непосредственный контакт (зацепление), то при их вращении в противоположные стороны они не мешают и даже способствуют вращению друг друга. При вращении же шестерёнок в одну сторону (скажем, обе по часовой стрелке), то они будут отталкиваться друг от друга, вплоть до поломки зубьев. Интересно, как происходит спиновое взаимодействие нетождественных фермионов, скажем, электрона и протона, что-то про это я ещё не вычитал.
В случае же бозонов, т.е. частиц с целочисленными спинами, то их взаимодействие похоже на взаимодействие гладких цилиндров либо шестерёнок со спиленными (отсутствующими) зубцами. При непосредственном контакте между ними нет (или почти нет) трения (зацепления), т.е. отсутствует спиновое взаимодействие, и между ними действуют уже другие силы, обеспечивающие их притяжение. Как уже говорилось выше, смесь бозонов (конденсат) ведёт себя как сверхтекучая жидкость. Видимо, именно получисленные значения фермионов обеспечивают их взаимодействие друг с другом (появление зубцов на шестерёнках). Наверное, шестерёнки - слишком грубое и вульгарное представление спин-спинового взаимодействия. Однако, ничего лучшего не приходит в голову, возможно, до появления данных о тонкой структуре спин-спинового взаимодействия. Интересно отметить, что взаимодействие двух фермионов (электронов) с противоположно направленными спинами может привести к образованию бозона (т.н. куперовской пары). И смесь таких бозонов ведёт себя как сверхтекучая жидкость.
БСЭ:
«Согласно Куперу, электроны, находящиеся вблизи поверхности ферми и имеющие противоположно направленные импульсы и спины, могут объединяться в пары за счёт существующего между ними слабого притяжения через кристаллическую решётку. Куперовские пары имеют целочисленный (нулевой) спин, т. е. являются бозе-частицами (бозонами), и обладают поэтому сверхтекучестью, которая для заряженных частиц проявляется как сверхпроводимость.»
Спин-спиновые взаимодействия частиц проявляются фактически при непосредственном контакте частиц. Однако другие взаимодействия (электромагнитное, сильное) имеют место, когда частицы не контактируют друг с другом.
http://www.cultinfo.ru/fulltext/1/001/008/117/822.htm:
Фуко маятник, маятник, используемый для демонстраций, подтверждающих факт суточного вращения Земли. Ф. м. представляет собой массивный груз, подвешенный на проволоке или нити, верхний конец которой укреплен (например, с помощью карданного шарнира) так, что позволяет маятнику качаться в любой вертикальной плоскости. Если Ф. м. отклонить от вертикали и отпустить без начальной скорости, то, поскольку действующие на груз маятника силы тяжести и натяжения нити лежат всё время в плоскости качаний маятника и не могут вызвать её вращения, эта плоскость будет сохранять неизменное положение по отношению к звёздам (к инерциальной системе отсчёта, связанной со звёздами). Наблюдатель же, находящийся на Земле и вращающийся вместе с нею, будет видеть, что плоскость качаний Ф. м. медленно поворачивается относительно земной поверхности в сторону, противоположную направлению вращения Земли. Этим и подтверждается факт суточного вращения Земли.
http://oval.ru/enc/18678.html:
Гироскоп (БСЭ, цитаты):
Первое свойство уравновешенного Гироскопа с тремя степенями свободы состоит в том, что его ось стремится устойчиво сохранять в мировом пространстве приданное ей первоначальное направление. Если эта ось вначале направлена на какую-нибудь звезду, то при любых перемещениях основания прибора и случайных толчках она будет продолжать указывать на эту звезду, меняя свою ориентировку относительно земных осей. Впервые это свойство Гироскоп использовал французский ученый Л. Фуко для экспериментального доказательства вращения Земли вокруг ее оси (1852). Отсюда и само название "Гироскоп", что в переводе означает "наблюдать вращение".
На самом деле из этих экспериментов с маятником и гироскопом следует более важный вывод нежели доказательство вращения Земли вокруг её оси. Эти данные свидетельствуют о том, что в мире существует абсолютная инерциальная система отсчёта, относительно которой всё движется. Относительно чего сохраняется неизменное положение плоскости маятника и направление оси гироскопа? Очевидно, не относительно Земли (что и позволяет установить факт её вращения), не относительно Солнца и не относительно звёзд, которые сами движутся. Просто системы Земли, Солнца и совокупности звёзд - это последовательные приближения к абсолютной системе отсчёта. Похоже, что и плоскость качания маятника и направление оси гироскопа покоятся (сохраняются) именно относительно этой абсолютной системы отсчёта. Как-то слишком просто, или я ошибаюсь?
(Заметка на полях: «Хоть я во многом и ошибаюсь, но я пытаюсь, понять стараюсь.»)
(Мысли между прочим) Могущество и бессмертие. Если процесс возникновения и эволюции Вселенной был запущен неким Создателем (Богом, Творцом), то это говорит о его могуществе. Ещё большее могущество требуется для контроля этого процесса. Следующей ступенями могущества являются инициация возникновения живой материи и контроль её развития. Наибольшее могущество требуется для обеспечения бессмертного (или сколь угодно долгого) существования живой материи. Однако нам этого мало. Нам хочется, чтобы могущество Создателя было способно обеспечить бессмертие отдельных личностей (нас грешных). И похоже, что эта задача потрудней всех остальных. Можно многое запустить, создать или контролировать, но обеспечить бессмертное существование отдельных личностей?.. Это может быть не по силам Создателю, который может всё остальное. Бессмертие означает остановку в развитии. Живая материя потому уже довольно долго существует, что постоянно развивается за счёт смены (смерти) отдельных индивидуумов на более развитые особи. Интересно в связи с этим отметить, что эволюция, как установлено, всегда направлена в будущее и нет данных о возвращении в прошлое, развитии эволюции в обратном направлении. Бессмысленность и вред для эволюции создания бессмертных существ кажутся вполне очевидными. Так что надежд на бессмертие, увы, маловато. Если, однако, не предположить что бессмертные личности окажутся способны к дальнейшему развитию. Может, это выход? А как хочется ещё пожить!
Не знаю, как у кого, но у меня время от времени появляются мысли о некоторой нарочитости нашей жизни. Как будто ты всё время участвуешь в какой-то затянувшейся пьесе. Это что, признак приближающейся болезни Альцгеймера или просто натурально «едет крыша»?
Похоже на то, что в основе движения материи во Вселенной лежит вращение. Вернее, в более широком смысле, криволинейное движение. Вспоминается анекдот о верблюде. Его спросили: «Верблюд, а почему у тебя шея кривая?». На что верблюд ответил: «А что у меня прямое?». Так и Вселенная. Всё вращается, начиная от созвездий и кончая частицами. У вращательного движения много схожего с прямолинейным движением. Например, если на вращающееся тело не действуют другие тела, то сохраняется состояние покоя или равномерного вращения, чем массивнее вращающееся тело, тем труднее изменить скорость его вращения. Есть, правда и особенность: в отсутствие действия других тел сохраняется и направление оси вращения, видимо, относительно мирового пространства (см. Гироскоп).
Описание вращательного движения малых (элементарных) частиц имеет свои особенности. Это, во-первых, может быть движение частицы по орбите вокруг другой частицы, например, электрона вокруг ядра атома. Во-вторых, это может быть вращение частицы и/или составляющих её частей вокруг оси частицы (осей составляющих её частей, т.е. осей, проходящих внутри частицы или её частей). И первое и второе оказывается достаточно сложным как в представлении, так и в описании. Тем не менее приходится с этим разбираться, т.к. оба этих вида вращения определяют как движение, так и взаимодействие частиц.
Википедия: «Любая частица может обладать двумя видами углового момента: орбитальным угловым моментом и спином.
Моме́нт и́мпульса (кинетический момент, угловой момент, орбитальный момент, момент количества движения) характеризует количество вращательного движения. Величина, зависящая от того, сколько массы вращается, как она распределена относительно оси вращения и с какой скоростью происходит вращение. Момент импульса частицы относительно некоторого начала отсчёта определяется векторным произведением ее радиус-вектора и импульса:
где - радиус-вектор частицы относительно выбранного неподвижного в данной системе отсчета начала отсчёта, - импульс частицы.
И́мпульс (Количество движения) - векторная физическая величина, характеризующая меру механического движения тела. В классической механике импульс тела равен произведению массы m этой точки на её скорость v, направление импульса совпадает с направлением вектора скорости:
.
Спин в квантовой механике обозначает собственный момент импульса отдельных элементарных частиц и их связанных состояний в виде ядер и атомов. В отличие от орбитального момента импульса, спин не связан с перемещением в пространстве центра инерции частицы, и является её внутренней характеристикой. Поскольку спин является вектором, он имеет направление в пространстве и отражает вращение составных элементов частицы. У ядер и атомов спин определяется по правилам квантовой механики как векторная сумма орбитальных и спиновых моментов импульса составляющих частиц, с учётом квантования проекций моментов импульса.»
С моментом импульса тел или макрочастиц вроде бы всё понятно. Если частица (тело) движется по круговой орбите, то её момент импульса равен произведению массы частицы (тела) на скорость её движения по орбите и радиус орбиты. Если же частица (тело) вращается либо как целое вокруг оси, проходящей через центр её масс, либо происходит вращение составных частей внутри самой частицы, либо и то и другое, то совокупность вращений частицы как целого, так и её частей создаёт собственный момент импульса частицы, называемый её спином. Однако в случае микрочастиц всё как-то усложняется. Во-первых, оказывается, что величины орбитального момента и спина могут иметь не любые, а т.н. квантованные значения, т.е. меняться не непрерывно, а скачками. Во-вторых, о скорости движения по орбите и её радиусе можно говорить только приближённо, чему мешает т.н. принцип неопределённости Гейзенберга. А в случае спина остаётся неясным, что можно вообще сказать о вращении частицы и её частей, определяющем спин.
Викизнание:
«Поскольку физическая интерпретация спина у электрона была неясна с самого начала (и это имеет место до сих пор), в 1925 г. Ральф Крониг (ассистент известного физика Альфреда Ланде) высказал предположение о спине как результате собственного вращения электрона. Однако согласно Паули, в таком случае поверхность электрона должна вращаться быстрее скорости света, что кажется невероятным. Тем не менее осенью 1925 г. Дж. Уленбек и С. Гаудсмит постулировали, что электрон обладает спином в единицах постоянной Дирака , и спиновым магнитным моментом, равным магнетону Бора. Это предположение и было принято научным сообществом, поскольку удовлетворительно объясняло известные факты.»
Удивительный подход! Коль скоро нельзя объяснить наличие вращательного момента электрона его вращением, просто постулируем его, причём то значение, которое «удовлетворительно объясняет известные факты». Похоже, что действительно значение спина частицы определяется не только вращением её как целого, но и наличием внутренних вращений её частей, как говорится в цитате из Викизнания.
Ещё цитата из Викизнания:
«В теории элементарных частиц обычно предполагается, что фотон, электрон и кварки не делятся на более мелкие части и являются самыми «элементарными». Однако спин, который приписывается этим частицам, слишком велик, чтобы его можно было объяснить вращением составляющего вещества при известных оценках размеров частиц. Поэтому для этих частиц спин полагается некоторым внутренним свойством, наподобие массы и заряда, требующим особого, пока ещё не известного обоснования.»
Хотя не очень понятно, что вращается в элементарных частицах, тем не менее это вращение определяет наличие у частиц спина - собственного момента импульса, определяемого этим вращением. И значение этого спина определяет один из видов взаимодействия частиц, именно:
Википедия:«Обменное взаимодействие - взаимодействие тождественных частиц в квантовой механике, приводящее к зависимости значения энергии системы частиц от ее полного спина. Представляет собой чисто квантовый эффект, исчезающий при предельном переходе к классической механике. Характер обменного взаимодействия между частицами с целым спином (бозонами) и полуцелым спином (фермионами) различен. Для фермионов характер обменного взаимодействия обусловлен принципом Паули, согласно которому два фермиона не могут находиться в совершенно одинаковых состояниях. Принцип Паули запрещает двум электронам с параллельными спинами находиться в перекрывающихся допустимых областях. Поэтому на малых расстояниях порядка длины волны Де-Бройля между электронами, спины которых параллельны, возникает как бы дополнительное отталкивание. В случае антипараллельных спинов возникают силы притяжения, которые играют важную роль при образовании химических связей между атомами. При образовании некоторых молекул, в частности воды и водорода, определенную роль играет обменное взаимодействие между протонами. Обменное взаимодействие характерно для всех фермионов и существует независимо от того, имеются ли между ними другие взаимодействия. Противоположный характер имеет обменное взаимодействие бозонов: чем больше бозонов находится в данном состоянии, тем с большей вероятностью в это состояние переходит еще один бозон. Это равносильно эффекту притяжения бозонов.
При наличии обычных сил между частицами обменное взаимодействие приводит к изменению силового взаимодействия. Электростатическое отталкивание электронов в атоме оказывается ослабленным по сравнению с тем, каким бы оно было без учета спина электронов. Интенсивность обменного взаимодействия определяется степенью перекрытия областей, допустимых для частиц в их состояниях. Чем больше различаются состояния частиц, тем меньше это перекрывание и тем слабее обменное взаимодействие между частицами. Поэтому обменное взаимодействие играет большую роль в конденсированных, сжатых системах, чем в разреженных. Если тождественные фермионы находятся во внешнем поле, то обменное взаимодействие уменьшает их энергию в этом поле. Именно благодаря обменному взаимодействию в ферромагнетике возникает состояние спонтанной намагниченности (магнитные моменты электронов направлены противоположно их спинам). Обменная энергия - это добавка к энергии системы взаимодействующих частиц в квантовой механике, обусловленная значением полного спина системы частиц. Обменная энергия не имеет никаких аналогов в классической механике.»
Хотя и нет, как утверждается, обменному (спиновому) взаимодействию аналогов в классической механике, попробуем как-то это наглядно представить. Во-первых, взаимодействие ощутимо только при малых расстояниях между частицами, можно сказать, при их непосредственном контакте. Во-вторых, в случае фермионов, за счёт этого взаимодействия частицы отталкиваются, когда крутятся в одну сторону, скажем по часовой стрелке (спины параллельны), либо притягиваются когда одна частица крутится в одну сторону (по часовой стрелке), а другая - в другую (против часовой стрелки). Это похоже на взаимодействие двух одинаковых шестерёнок. Когда они не касаются, то никак не влияют друг на друга. Однако, стоит шестерёнкам перейти в непосредственный контакт (зацепление), то при их вращении в противоположные стороны они не мешают и даже способствуют вращению друг друга. При вращении же шестерёнок в одну сторону (скажем, обе по часовой стрелке), то они будут отталкиваться друг от друга, вплоть до поломки зубьев. Интересно, как происходит спиновое взаимодействие нетождественных фермионов, скажем, электрона и протона, что-то про это я ещё не вычитал.
В случае же бозонов, т.е. частиц с целочисленными спинами, то их взаимодействие похоже на взаимодействие гладких цилиндров либо шестерёнок со спиленными (отсутствующими) зубцами. При непосредственном контакте между ними нет (или почти нет) трения (зацепления), т.е. отсутствует спиновое взаимодействие, и между ними действуют уже другие силы, обеспечивающие их притяжение. Как уже говорилось выше, смесь бозонов (конденсат) ведёт себя как сверхтекучая жидкость. Видимо, именно получисленные значения фермионов обеспечивают их взаимодействие друг с другом (появление зубцов на шестерёнках). Наверное, шестерёнки - слишком грубое и вульгарное представление спин-спинового взаимодействия. Однако, ничего лучшего не приходит в голову, возможно, до появления данных о тонкой структуре спин-спинового взаимодействия. Интересно отметить, что взаимодействие двух фермионов (электронов) с противоположно направленными спинами может привести к образованию бозона (т.н. куперовской пары). И смесь таких бозонов ведёт себя как сверхтекучая жидкость.
БСЭ:
«Согласно Куперу, электроны, находящиеся вблизи поверхности ферми и имеющие противоположно направленные импульсы и спины, могут объединяться в пары за счёт существующего между ними слабого притяжения через кристаллическую решётку. Куперовские пары имеют целочисленный (нулевой) спин, т. е. являются бозе-частицами (бозонами), и обладают поэтому сверхтекучестью, которая для заряженных частиц проявляется как сверхпроводимость.»
Спин-спиновые взаимодействия частиц проявляются фактически при непосредственном контакте частиц. Однако другие взаимодействия (электромагнитное, сильное) имеют место, когда частицы не контактируют друг с другом.