ما هو اللف الذاتي (Spin)

صدرت لنا ميكانيكا الكم العديد من المفاهيم المعقدة، أو التي تبدو معقدةً بسبب سوء التوصيل إلى ذهن المتلقي، أو ربما عجز القارئ عن إيجاد مصدرٍ مناسبٍ للمعلومة. أحد أهم خصائص ميكانيكا الكم هو اللف الذاتي Spin، والذي سنحاول تبسيط المعلومات التي تناولها العلم عنه، فتابعونا.

إذا دخلنا في الموضوع مباشرةً، وسألنا، ما هو اللف الذاتي Spin، لنضع حدًّا لكل محاولات التوضيح والمعلومات التي تشتت الذهن، سوف نقول أنه نوعٌ من أنواع الحركة الدورانية ولكن ليس كالدوران العادي، فهو نموذجٌ كميٌّ (خاص بميكانيكا الكم) من أنواع العزم الزاوي. ولكن ما هو العزم الزاوي!

أي جسيم أولي (أصغر وحدة بنائية في الكون، كالإلكترون والنيوترون والذرة، وأي وحدة بنائية أساسية) يدور حول نفسه، يحتاج إلى عزم زاوي يحدد اتجاه حركته، أي أن العزم الزاوي هو الشيء الذي يحدد زاوية حركة الجسم أثناء دورانه.

إذن، فاللف Spin هو العزم الزاوي الذاتي، أي النموذج الذاتي من العزم الزاوي. كل جسيم أولي يملك هذه الخاصية، فهو يدور بنفسه، أي يلف ذاتيًّا.

من الخصائص المرتبطة باللف الذاتي أيضًا، هو أن له مجالًا مغناطيسيًّا (يعرف بالعزم المغناطيسي)، وهذا المجال المغناطيسي ناتجٌ عن حركة الجسيم بسرعةٍ معينةٍ، فيتولد مجال مغناطيسي للجسيم، وكلما زادت سرعة اللف الذاتي للجسيم، ازدادت شدة المجال المغناطيسي.

كل ما ذكرناه الآن، هو مجرد سردٍ توضيحيٍّ لمفهوم اللف الذاتي وكل المصطلحات المرتبطة به، لكي تستطيع مواصلة التحدث في التفاصيل دون أن تواجه صعوباتٍ في الفهم، فتابعنا.

في عام 1925 م، رأى كل من S.A. Goutsmit و G.E. Uhlenbeck أن الإلكترون به عزم زاوي كامن، وهو عزمٌ مغناطيسيٌّ يعرف باللف الذاتي. اللف الذاتي للإلكترون هو دوران الإلكترون حول محوره.

كأيّ جسيمٍ أولي، يعتبر اللف الذاتي من الخصائص الثلاثة الأساسية للإلكترون في الذرة، مع الكتلة والشحنة. اللف الذاتي يصف العزم الزاوي للإلكترون بشكلٍ أساسيٍّ، فهو الطريقة التي يتحرك بها الإلكترون حول النواة في الذرة، واللف يمكن أن يكون لأعلى أو لأسفل.

وبعد أن قام فريق MIT بقيادة عالم الفيزياء Martin Zwierlein بعمل تجربةٍ على غازٍ مخففٍ، لاختبار اللف الذاتي في ذراته، وجدوا أن مجموعة من الذرات قد لفت بسرعةٍ كبيرةٍ في اتجاه اليمين بطريقةٍ معينةٍ، ومجموعة أخرى بسرعةٍ كبيرةٍ في اتجاه اليسار بطريقةٍ أخرى، ومجموعة في المنتصف، مما أكد لهم إمكانية اللف الذاتي لكل الذرات في كل الاتجاهات.

هذه النظرية تصف الإلكترون كجسيم كمي بدلًا من النموذج الكروي في النظرية التقليدية القديمة. النظرية تقول أن اتجاه اللف الذاتي للإلكترون وقوته لهما نفس الخصائص المغناطيسية للذرة.

الإلكترون يمكنه الدوران لأعلى ولأسفل، فإذا كان اتجاهه لأعلى كانت إشارته موجبةً، وإذا كان لأسفل كانت إشارته سالبةً. إذا كان هناك إلكترونان لهما نفس اتجاه اللف الذاتي، فإنهما يكونان مجالًا مغناطيسيًّا قويًّا مما ينتج عنه عزم مغناطيسي قوي. كما أنه إذا كان هناك إلكترونان لهما اتجاه لف متضاد، فإن المجال المغناطيسي لكل منهما يلاشي الآخر، ولا يتولد أي مجال مغناطيسي.

تكونت النجوم والكواكب في الفضاء من انهيار سحبٍ ضخمةٍ من الغازات والغبار. المواد الموجودة في هذه السحب الغازية والغبارية في حركةٍ ثابتةٍ، والسحب نفسها في حركةٍ أيضًا، تدور جميعها في جاذبيةٍ شاملةٍ في المجرة. كنتيجةٍ لهذه الحركة، سوف تميل السحب إلى الدوران بشكلٍ طفيفٍ من نقطةٍ قريبةٍ من مركزها، هذا الدوران يمكن وصفه بالعزم الزاوي. عندما انهارت هذه السحب، تفتتت إلى قطعٍ أصغر، كل واحدة من هذه القطع انهارت بشكلٍ مستقلٍ حاملةً عزمًا زاويًّا أصليًّا.

في نظامنا الشمسي، الكواكب الغازية العملاقة (المشتري، وزحل، وأورانوس، ونبتون) تلف ذاتيا حول محورها بسرعةٍ أكبر من الكواكب الأخرى الداخلية، وهي تمتلك معظم العزم الزاوي للنظام الشمسي. الشمس نفسها تدور ببطءٍ مرة واحدة كل شهرٍ.

الكواكب جميعها تدور حول محورها وحول الشمس في نفس الاتجاه، وفعليًّا في نفس المستوى. بالإضافة إلى أن جميعها تدور في نفس الاتجاه العام، ما عدا كوكبي الزهرة وأورانوس، وهذه الاختلافات نابعةٌ من الاصطدام الذي حدث مؤخرًا في تكوين الكواكب (يقال أن هناك اصطدامًا مشابهًا تسبب في تكوين قمر كوكب الأرض).