Cuando un electrón cambia de espín, o de cualquier otra propiedad intrínseca, ¿sigue siendo el mismo electrón?

Question

No pregunto por qué una propiedad intrínseca, como el espín, puede tener más de un valor. Entiendo que las partículas (electrones) pueden existir con espín hacia arriba o hacia abajo. Lo que pregunto es por qué puede cambiar mientras la partícula existe.

Los electrones se definen en el SM como partículas elementales, y sus propiedades intrínsecas incluyen tanto la carga EM como el espín.

El electrón es un pa e o cuya carga eléctrica es una carga elemental negativa. Las propiedades mecánicas cuánticas del electrón incluyen un momento angular intrínseco (espín) de valor medio entero, expresado en unidades de la constante reducida de Planck, .

La carga EM del electrón se define como -1e, y el espín como 1/2.

Los electrones tienen una carga eléctrica de 1,602×10^19 culombios,[66] que se utiliza como unidad estándar de carga para las partículas subatómicas, y también se denomina carga elemental. El electrón tiene un momento angular intrínseco o espín de 1 / [ ] Esta propiedad suele expresarse como 1 / 2 .

https://en.wikipedia.org/wiki/Electron

En mecánica cuántica y física de partículas, el espín es una forma intrínseca de momento angular que portan las partículas elementales, las partículas compuestas (hadrones) y los núcleos atómicos[1][2]. Aunque se puede cambiar la dirección de su espín, no se puede hacer que una partícula elemental gire más rápido o más lento. Además de sus otras propiedades, todas las partículas de la mecánica cuántica poseen un espín intrínseco (aunque este valor puede ser igual a cero).

https://en.wikipedia.org/wiki/Spin_(física)

a transición de espín es un ejemplo de transición entre dos estados electrónicos en química molecular. La capacidad de un electrón de pasar de un estado electrónico estable a otro estable (o metaestable) de forma reversible y detectable hace que estos sistemas moleculares resulten atractivos en el campo de la electrónica molecular.

https://en.wikipedia.org/wiki/Spin_transition

Así que básicamente un electrón puede cambiar su espín de arriba a abajo o vica versa, pensó que es una propiedad intrínseca.

La carga EM de los electrones no puede cambiar.

En ciencia e ingeniería, una propiedad intrínseca es una propiedad de un sujeto especificado que existe por sí misma o dentro del sujeto.

Así que tanto la carga EM como el espín son propiedades intrínsecas de los electrones. Aunque, los electrones vienen a la existencia con una cierta carga EM y espín. Sin embargo, la carga electromagnética no cambia mientras exista el electrón, pero el espín puede cambiar.

Entiendo que los electrones pueden tener propiedades intrínsecas, que pueden tener un único valor o un conjunto de valores. Entiendo que algunos electrones vienen a la existencia con carga EM y giran. Algunos electrones vienen a la existencia con carga EM y giran hacia abajo.

Lo que no entiendo es cómo puede cambiar el espín mientras el electrón sigue existiendo, mientras que la carga EM no puede, aunque ambas son propiedades intrínsecas.

¿Sabemos que cuando un electrón experimenta un cambio de espín (transición de espín), el electrón que originalmente tenía espín hacia arriba es el mismo sistema cuántico que después de la transición de espín tiene espín hacia abajo?

¿Puede ser que el electrón anterior con espín arriba deje de existir (fluctuación en el vacío), y entonces otro electrón venga a existir con espín abajo?

¿Por qué decimos que el electrón que tenía espín arriba (que es una propiedad intrínseca) es el mismo sistema cuántico que el electrón que tiene más tarde (después del spin flip) espín abajo?

Después del Big Bang, en la asimetría de bariones, algunos electrones surgieron con espín hacia arriba y otros con espín hacia abajo. ¿Los llamamos los mismos electrones?

¿Es el espín la única propiedad intrínseca del electrón que puede cambiar (como la helicidad)?

Pregunta:

1. ¿Cómo puede cambiar una propiedad intrínseca de un electrón (spin flip)?

2. ¿Existen propiedades intrínsecas (de las partículas elementales) que tengan múltiples valores disponibles, pero que no puedan cambiar?

Answer 1

No importa.

Supongamos que dos electrones se acercan, intercambian un fotón y salen con espines diferentes. ¿Son "los mismos electrones" que antes? Esta pregunta no tiene una respuesta bien definida. Empezamos con un estado del campo cuántico de los electrones y ahora tenemos otro diferente; que algunas partes sean "las mismas" que antes depende de cómo definamos la palabra "mismo". A la teoría no le importa en absoluto esta distinción.

Cuando la gente habla de física con otras personas, utiliza palabras para comunicarse eficazmente. Si se adoptara una postura de línea dura en la que cualquier cambio produjera un electrón "diferente", sería muy difícil hablar de física de baja energía. Por ejemplo, no se podría decir que un átomo transfiere un electrón a otro, porque ya no sería el "mismo" electrón. Pero si se dijera que la identidad del electrón es siempre persistente, sería difícil hablar de física de muy alta energía, donde los electrones se crean y destruyen libremente. Así que la palabra "mismo" puede utilizarse de forma distinta en contextos diferentes, pero en realidad no importa. La palabra es una herramienta para describir la teoría, no la teoría en sí.

Como comentario general: has hecho muchas preguntas sobre cómo palabras se utilizan en física, donde sacas de contexto varias citas de todo este sitio y señalas que utilizan las palabras de forma ligeramente diferente. Aunque aprecio que hagas esto con cuidado, no es efectivo por sí mismo -- es mejor aprender la teoría matemática que estas palabras son acerca de . Las matemáticas no son más que otro lenguaje, pero muy preciso, y esa precisión es justo lo que se necesita cuando se estudia algo tan difícil como la mecánica cuántica.

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Otra pregunta, que creo que has insinuado en tus (muchas) preguntas, es: ¿en qué circunstancias están relacionadas las excitaciones por cambios en las propiedades intrínsecas llamadas de la misma partícula? Los electrones con espín arriba y espín abajo están relacionados por rotaciones en el espacio físico. Pero los protones y neutrones pueden considerarse excitaciones del campo "nucleón", que se relacionan mediante rotaciones en el "espacio isospínico". Es decir, un protón no es más que un "nucleón isospín arriba" y el neutrón es "isospín abajo", y los dos pueden interconvertirse emitiendo leptones. Entonces, ¿por qué les damos nombres diferentes?

De nuevo, a nivel de la teoría, no hay ninguna diferencia real. Se pueden agrupar los campos de protones y neutrones en un campo de nucleones, que es tan sencillo como definir $\Psi(x) = (p(x), n(x))$ pero el contenido físico de la teoría no cambia. Tanto si pensamos en $\Psi$ como describiendo un tipo de partícula o dos depende del contexto. Puede ser útil trabajar en términos de $\Psi$ cuando se hace física hadrónica de alta energía, pero es útil trabajar en términos de $p$ y $n$ en física nuclear, donde la diferencia entre ellos es importante.

Siempre se reduce a lo que es útil en el problema concreto que estás estudiando, en lo que pueden influir las simetrías que se rompen, las perturbaciones que se aplican, lo que se conserva aproximadamente en la dinámica, etcétera. En cualquier caso, es sólo un nombre.

Answer 2

El espín es una magnitud complicada en mecánica cuántica. Si quieres entenderla de verdad, no hay absolutamente ningún sustituto para una lectura completa de un libro de texto completo. (Es decir: Cohen-Tannoudji, Shankar, Sakurai, o de nivel equivalente. Los libros de texto introductorios como Griffiths están bien como rampa de acceso, pero no son la solución completa).

El giro es complicado porque

1. una cantidad operativa, es decir, una cantidad que no necesita tener un valor bien definido;
2. una cantidad vectorial, es decir, una cantidad con tres componentes independientes; y además
3. un operador vectorial cuyas componentes son incompatibles (es decir, no conmutan) entre sí, lo que significa que si una componente del espín tiene un valor bien definido, las otras dos no lo tendrán.

Esto significa que el giro viene con tres componentes, $\hat{S}_x$ , $\hat{S}_y$ y $\hat{S}_z$ pero sólo una de las tres puede tener un valor bien definido en un momento dado.* Sin embargo, dicho esto, hay una cantidad más relevante, que es el total giro, es decir, la combinación $$ \hat{S}^2 = \hat{S}^2_x + \hat{S}^2_y + \hat{S}^2_z, $$ que conmuta con todos los componentes individuales, y eso significa que el la información más completa que se puede obtener de un sistema con momento angular en tres dimensiones es el espín total, $S^2$ y uno de los componentes (tradicionalmente considerado como $S_z$ (pero es crucial subrayar que esto puede hacerse en cualquier dirección que se desee).

Además, por razones técnicas relacionadas con la cuantización, los valores posibles de estas componentes están restringidos: el espín total sólo puede tomar valores de la forma $S^2 = \hbar^2 s(s+1)$ para $s\in \tfrac12 \mathbb N = \{0,\frac12,1,\frac32,2,\ldots\}$ un número entero o semientero no negativo, y la proyección de espín total sólo puede tomar los valores $S_z = -\hbar s, -\hbar (s-1), \ldots, \hbar (s-1), \hbar s$ . Cuando decimos que un sistema dado "tiene espín $s$ ", lo que realmente queremos decir es que tiene giro total $S^2 = \hbar^2 s(s+1)$ .

Para los electrones, estas dos magnitudes desempeñan papeles muy diferentes.

• El espín total es intrínseco. Todos los electrones tienen número cuántico de espín total $s=1/2$ lo que significa que tienen un giro total $S^2 = \frac34\hbar^2 $ y nada que puedas hacerle a un electrón cambiará esto.
• El giro proyección , $S_z$ por otro lado, no es intrínseca, y básicamente te dice en qué dirección (dentro de los límites de la cuantización del momento angular) apunta el espín.

Cuando se hacen cosas como giros de espín con un electrón, se está cambiando lo segundo, no lo primero.

$\ $

* Con una excepción cuando todos son cero, con giro total cero.

Answer 3

Lo que la gente quiere decir cuando afirma que el espín es una propiedad intrínseca es que el espín representa un estado interno de la partícula que existe independientemente de su posición y movimiento en el espacio. Sin embargo, el valor * de ese estado interno puede cambiar y, de hecho, cambia, y cuando eso ocurre no se puede decir que el electrón haya sido sustituido por un electrón "diferente", al igual que un electrón que cambiara de posición en el espacio no se consideraría un electrón "nuevo" o "diferente". Sólo decimos que el electrón se ha movido.

Del mismo modo, no hay nada extraño o incoherente en pensar que el espín del electrón ha cambiado, y no hay necesidad de explicar la extrañeza diciendo que el electrón ha sido sustituido por "otro" electrón. Un cambio de espín es algo completamente razonable de imaginar, una vez que se ha superado el pequeño obstáculo de entender lo que significa que el espín sea "intrínseco". Lo intrínseco no es la dirección concreta del espín en el espacio, sino el conjunto de etiquetas que puede asumir el espín (es decir, el espacio vectorial - $\mathbb{C}^2$ en el caso del electrón- donde "vive" el espín) junto con las reglas precisas que rigen cómo evoluciona el estado interno del espín e interactúa con la posición y otros parámetros del sistema cuántico.

* Otra cuestión sutil aquí es que normalmente no se puede hablar consistentemente de que el espín tenga un valor en el sentido de una dirección particular en el espacio a la que el vector espín esté "apuntando". Esta es la dificultad aludida en la respuesta de @EmilioPisanty, que tiene que ver con el hecho de que las tres coordenadas del vector valorado por el operador de espín no conmutan, lo que significa que no se puede pensar simultáneamente que tengan valores bien definidos. Esta cuestión es tangencial a mis observaciones anteriores, pero aún así es importante mencionarla, ya que ilustra otra forma en la que las palabras que utilizan los físicos para hablar de ideas en física no logran comunicar matices de significado que solo pueden transmitirse adecuadamente utilizando un lenguaje matemático preciso. Como dice @knzhou, para entender bien qué es el espín, no hay nada mejor que aprender las matemáticas que lo explican.

Answer 4

El momento angular intrínseco es:

$$ ||\vec J|| = \hbar \sqrt{j(j+1)} = \hbar \frac{\sqrt 3} 2 $$

y eso nunca cambia. La proyección sobre un eje puede cambiar, y tiene valores propios:

$$ j\hbar = \frac 1 2 \hbar$$

Además, la proyección puede cambiar simplemente modificando las coordenadas (por ejemplo, utilizando la función $x$ -base), o por dinámica.

En cuanto a cómo pasamos de $|\uparrow\rangle$ a $|\downarrow\rangle$ En mi opinión, conocemos los estados inicial y final (en la aproximación de la partícula libre) y todos los caminos posibles contribuyen a la transición.

En cuanto a la identidad del electrón, no estoy seguro de que haya una respuesta (es decir, podría ser una pregunta clásica). Si tengo un electrón estacionario en $\vec x_0$ , puedo pensar en ello como una partícula que es una excitación del campo de electrones en:

$$ \psi(t, \vec x_0)$$

Pero para un observador en movimiento no es estacionario, y necesito la transformación de Lorentz $t\rightarrow t'$ y $\vec x \rightarrow \vec x'$ por lo que es una partícula, pero su identidad implica diferentes puntos en esa vista del campo de electrones, $\psi'$ . Cuando te das cuenta de que la masa no es "materia" (una visión clásica), sino sólo un acoplamiento al campo de Higgs que conduce a una frecuencia distinta de cero con momento cero, entonces lo mejor que puedes hacer es decir que no es materia en el sentido clásico. Es una excitación del campo de electrones, y hay cantidades conservadas.

Ese punto de vista va bien con el problema de la partícula indistinguible en la dispersión QED: si hay 2 electrones en el estado final, no es que sean idénticos, es que son indistinguibles, lo que significa que en realidad no tienen identidad como partículas diferentes, y hay que considerar ambos (o todos) los caminos que llevan al estado final observado del campo de electrones.

Answer 5

Ninguna de las respuestas que se han dado aquí llega lo suficientemente directo al punto, que es que esta pregunta, en sí misma, se basa en una motivación mal entendida.

En particular, hay un malentendido básico aquí por el cartel original de lo que constituye el "spin intrínseco" del electrón, de tal manera que lo que está sucediendo en un giro spin-up/down está siendo visto como alguna forma de cambio en esa propiedad intrínseca, y luego tratar de preguntarse cómo eso tiene sentido y no es una contradicción.

Sin embargo, esto es erróneo. El espín, que en realidad no es más que un tipo de momento angular, es una cantidad vectorial: un objeto matemático que nos permite codificar en un paquete convenientemente manipulable tanto una cantidad real de algo, o magnitud, como una noción asociada de dirección.

¿Por qué el momento angular es una magnitud vectorial? Porque es una especie de medida de la rotación de un objeto. Para especificar cómo gira algo, se necesita dos información: una es la velocidad a la que gira, mientras que la otra es la eje sobre el que gira. Piense en la Tierra: gira sobre un eje que pasa por la Antártida y se dirige al océano Ártico, pero no tiene por qué ser así. Podríamos imaginarla girando a través de un eje entre el centro de Estados Unidos y el océano Índico, o entre China y Argentina. Además, gira con una velocidad determinada: una vuelta cada 86,164 ks ( no los 86,4 ks [24 h] que componen lo que solemos llamar "un día" - eso es un tema en sí mismo). La magnitud está relacionada con la velocidad, mientras que la dirección del vector momento angular fija el eje de rotación.

Ahora con los electrones, por supuesto, esto es mecánica cuántica - y el concepto clásico de rotación, tomado literalmente, ya no funciona tanto: por un lado, no se le puede asignar razonablemente una "velocidad" de algún tipo de movimiento interno, pero sí puede todavía le asignan una magnitud de momento angular, y esta cantidad de momento angular es fija para cada electrón. Lo que cambia en cambio en un "spin-flip" es el dirección del momento angular . Efectivamente, si se quiere seguir hablando de "velocidad de rotación" aunque ya no tenga un referente claro en este ámbito, se puede decir que mantiene la misma "velocidad", pero su eje de rotación turnos. Este último es no intrínseca, sino sólo la magnitud.

Y la razón de este cambio es una interacción de fuerzas. De hecho, esto mismo ocurre también en situaciones de mecánica clásica: si tenemos un objeto que está girando, como la Tierra, podemos provocar, con las fuerzas externas adecuadas, que este eje se realinee. Lo mismo ocurre en el caso del átomo, sólo que las fuerzas relevantes son las fuerzas magnéticas entre el electrón y el núcleo.