Natureza do spin eletrônico

2 de agosto, 2018 às 16:09 | Postado em Mecânica quântica, Relatividade

Com referência à postagem Equivalência dos campos magnéticos e elétricos na relatividade não sei se estou correto mas parece que o campo elétrico variável é um equivalente ao campo magnético variável por mudança de referencial. Uma dúvida a que me remete também em cima disso é: a natureza intrínseca do spin é uma consequência da relatividade quântica? E há uma correlação entre o experimento de Young e o experimento de Stern-Gerlach?

A pergunta sobre a natureza intrínseca do spin costuma ter uma resposta um tanto simplificada e padronizada, mas a questão é um pouco mais complexa do que parece à primeira vista.

A história da ciência é cheia de meandros e desvios. Simplificando um pouco a argumentação, podemos dizer que a mecânica quântica foi inicialmente desenvolvida em uma formulação não relativística, por meio das abordagens de Heisenberg e de Schrödinger (Werner Heisenberg e Erwin Schrödinger). Nessas formulações o spin não ocorre naturalmente, devendo ser introduzido por meio de uma hipótese adicional. A introdução dessa hipótese tornou-se necessária, nesse contexto histórico, de maneira a possibilitar explicação de fenômenos observados, como as características da deflexão de feixes de partículas ao passarem por um campo magnético não uniforme (experimento de Stern-Gerlach) e a ocorrência de certas linhas peculiares nas observações de linhas espectrais.

Posteriormente, em 1928, Dirac (Paul A. M. Dirac) formulou uma abordagem relativística para a descrição de elétrons no âmbito de uma teoria quântica, onde a característica conhecida como spin surgiu naturalmente, sem necessidade de hipótese adicional.

Devido a essa evolução histórica, em que o spin surgiu naturalmente em uma abordagem relativística, é frequentemente dito que o spin seria uma consequência da relatividade na mecânica quântica. Entretanto, um trabalho datado de 1967, de autoria de Jean-Marc Lévy-Leblond, levou à obtenção de uma equação que pode ser considerada o limite não relativístico da equação de Dirac, a chamada equação de Lévy-Leblond. Nesse trabalho ficou evidenciada a possibilidade da existência do spin, mesmo a partir de uma abordagem não relativística. O trabalho de Lévy-Leblond apareceu em um contexto em que a abordagem relativística já estava bastante desenvolvida e estabelecida, extremamente bem sucedida na interpretação de fenômenos observados, e acabou não tendo muita repercussão, não sendo muito conhecido nem mesmo por boa parte dos profissionais que atuam na área da Física.

Pode-se então dizer que, embora o spin seja largamente conhecido como um fenômeno quântico-relativístico, sua existência é sim uma característica intrinsicamente quântica, mas não necessariamente fruto de uma abordagem relativística.

A outra pergunta diz respeito à possível correlação entre o experimento de Young e o experimento de Stern-Gerlach. O que se pode dizer é que a relação entre os dois experimentos existe no sentido de que ambos são experimentos que evidenciam de forma clara aspectos fundamentais do comportamento quântico. O experimento de fenda dupla evidencia o comportamento ondulatório associado a partículas, enquanto o experimento de Stern-Gerlach evidencia a quantização de momentos magnéticos associados ao spin.

Entretanto, não há uma correlação no sentido de uma correspondência direta entre ambos os experimentos. O comportamento ondulatório fica evidenciado no experimento de fenda dupla mesmo para partículas que não tem spin, enquanto que a separação de feixes de partículas em um número par de feixes, que ocorre no experimento de Stern-Gerlach, só ocorre se os feixes forem constituídos por partículas que sejam dotadas de spin.