هل يمكن للإلكترونات أن تدور حول نفسها؟

 دوران الالكترونات 

(KTSDesign/Science Photo Library/Getty Images)

بالنسبة لمعظمنا، تُعدّ مخططات الذرات كأنظمة شمسية صغيرة بمثابة مدخل لنا إلى عالم فيزياء الجسيمات. للأسف، تُخطئ هذه الصور الرمزية أكثر مما تُصيب.
أولًا، الإلكترونات ليست ككواكب صغيرة تدور حول شمس كثيفة. ربما ليست كرات صغيرة، بل هي ثقوب صغيرة في الفضاء بلا عرض أو ارتفاع أو عمق.
وبصفتها جسمًا بلا عرض، فهي لا تملك أي شيء قادر على الدوران.
إذن، ما الذي يشير إليه الفيزيائيون عندما يصفون "دوران" الجسيم؟

لماذا نعتقد أن الإلكترونات تدور؟

في بدايات ميكانيكا الكم، تساءل عدد من الفيزيائيين حول ما إذا كانت جسيمات مثل الإلكترونات تدور بالفعل. وبينما لم تتوافق هذه الفكرة تمامًا مع النظريات السائدة حول سلوك الإلكترونات، إلا أن بعض الملاحظات في التجارب وثغرات نظرية صغيرة تُشير إلى عكس ذلك.

أحد هذه الفرضيات هو انحناء مسار الإلكترون عند مواجهته مجالًا مغناطيسيًا، كما لو كان مغناطيسًا صغيرًا. وهذا في حد ذاته ليس أمرًا صادمًا - فالشحنات المتحركة تُنشئ مجالات مغناطيسية، في النهاية.

ولكن عندما قام عالمان ألمانيان، أوتو ستيرن وفالتر جيرلاخ، بقياس هذا المجال في الإلكترونات التي تدور حول نواة ذرات الفضة في أوائل عشرينيات القرن الماضي، وجدا أن الأرقام غير متطابقة. كان لا بد من أن تتحرك الإلكترونات في مكانها لتكون منطقية - لا بد من أن تدور.

من الغريب أن النتائج دلت على أن هذا الدوران يُنشئ مجالات مغناطيسية صغيرة ذات اتجاهات محددة للغاية، موجهة بدقة لأعلى أو لأسفل بالنسبة لمجال مغناطيسي خارجي. ولم تكن هذه المجالات مائلة عشوائيًا في أي اتجاه.

تحليل دوران الالكترون

في تلك الأثناء، كان عالم نظري يُدعى فولفغانغ باولي يعمل على مبدأ يُفسر عدم قدرة بعض الجسيمات (مثل الإلكترونات والجسيمات في نواة الذرة) على التراكب مع شغلها نفس الحيز، بينما تستطيع جسيمات أخرى (مثل الفوتونات) ذلك.

تطلّب "مبدأ الاستبعاد" الذي وضعه باولي مجموعة من أربعة أعداد كمية. أحدها يصف طاقة الجسيم، واثنان آخران يتعلقان بالزخم الزاوي. لكن العدد الرابع لم يكن يبدو مرتبطًا بأي شيء بديهي.

سرعان ما قدّم عالم أمريكي شاب من أصل هولندي يُدعى صموئيل جودسميت الإجابة. بتطبيقه تفسيرات جديدة لصيغ على الخطوط الطيفية في المجالات المغناطيسية تُسمى "الثنائيات"، اكتشف جودسميت، دون قصد، دليلًا على حركة في الإلكترونات بدت غريبة مثل الدوران المغزلي. لم يكن قد لاحظها في البداية - فقد استغرق الأمر العديد من المحادثات الطويلة مع فيزيائي أمريكي هولندي شاب آخر يُدعى جورج أولينبيك لتوضيحها.

"لكن ألا ترى ما يعنيه هذا؟ يعني أن هناك درجة رابعة من الحرية للإلكترون،" أجاب أولينبيك ببراعة.

"هذا يعني أن للإلكترون دورانًا مغزليًا، أي أنه يدور."

مع أنهم لم يكونوا أول من فكر في هذا المفهوم، إلا أن النقاش، إلى جانب نتائج هذه النظريات والتجارب، ولّد حالةً قاطعةً تُثبت أن الإلكترونات - من بين جسيمات أساسية أخرى - تدور.

لكن لا شيء يمكن أن يكون بهذه البساطة في ميكانيكا الكم المعقدة.

لماذا لا تدور الإلكترونات؟

حتى مع استخدام مصطلح الدوران المغزلي لوصف المغناطيسية الغريبة للإلكترونات والخصائص الغريبة للضوء، كانت هناك بعض المشاكل.

إذا افترضنا أن الإلكترونات كرات صغيرة حقًا، فإن السرعة التي يجب أن تدور بها لمطابقة النتائج التجريبية تعني أن سطحها يجب أن يدور بسرعة أكبر بعشر مرات من سرعة الضوء.

بالطبع، يُعتقد الآن أن الإلكترونات ليس لها سطح. مع ذلك، فإن معرفة أن الجسيمات الأساسية هي نقاط في مجال لا تجعل الأمر أكثر بديهية. كيف تدور نقطة صفرية الأبعاد في المقام الأول؟

الأمر الأكثر إرباكًا هو التجارب التي أجراها ستيرن وجيرلاخ، والتي لا تشير إلا إلى اتجاهين مطلقين. لا يمكن تفسير التوجهات المتميزة "للأعلى تمامًا" مقابل "للأسفل تمامًا" لمغناطيس الجسيم الصغير بسهولة من خلال جسم ثلاثي الأبعاد يدور، والذي يمكن أن يميل قليلاً في هذا الاتجاه، أو قليلاً في هذا الاتجاه، أو يتسارع ويتباطأ.

بمعنى آخر، لا يوجد ما يُعادل نوع الدوران الذي يحدث في الإلكترونات في عالمنا، عالم القمم وكرات السلة والكواكب.

قد تكون له عواقب مماثلة، إذ يجعل الجسيمات تنحني كما لو كانت تمتلك زخمًا زاويًا ذاتيًا، ويحولها إلى نوع غريب من المغناطيس القضيبي. ولكن مهما كان "الدوران"، فهو خاصية أساسية متأصلة في جوهر كوننا.

يُحدد مدققو الحقائق صحة جميع الشروحات ودقتها وقت النشر. قد تُعدّل النصوص والصور أو تُحذف أو تُضاف إليها قرارات تحريرية للحفاظ على تحديث المعلومات.