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Die spinen, die Teilchen.
Beginnen wir mit einem klimatologischen Exkurs: Im Winter ist Winter und im Sommer eben Sommer. Das ist keineswegs selbstverständlich, sondern liegt daran, dass die Erde schief um die Sonne läuft. Ihre Drehachse ist um etwa 23 Grad geneigt. Deswegen zeigt im Sommer die Nordhalbkugel zur Sonne, und im Winter ist dann der Süden dran. Das müsste nicht so sein: Denn prinzipiell ist auch jede andere Neigung denkbar. Dabei haben wir es mit den 23 Grad jedoch ganz gut erwischt. Denn wäre die Achse überhaupt nicht geneigt, gäbe es weder Sommer noch Winter. Bei einer Neigung um neunzig Grad hieße Winter vollkommene Dunkelheit und Eiseskälte. Auf der Sommerseite würden hingegen die Meere verdampfen. Schließen wir nun die klimakundliche Einführung mit der folgenden Feststellung: Wenn sich etwas dreht, ist es nicht ganz unbedeutend, um welche Achse das geschieht.

Magnetfelder
Die Drehung der Erde sorgt nun nicht nur für Tag und Nacht, mit ihr ist zudem ein Magnetfeld verbunden: Aufgrund der Erdrehung bilden sich elektrische Ströme im Erdinnern und das ist eine der Ursachen für das irdische Magnetfeld (siehe auch "Der Geodynamo", Forschungszentrum Karlsruhe). Das Magnetfeld der Erde hat eine bestimmte Richtung, einen Nord- und einen Südpol. Wo sich nun welcher Pol befindet, lässt sich recht einfach mit Hilfe einer Kompassnadel überprüfen. Oder aber mit einer - zugegeben - etwas aufwändigeren Methode. Dazu benötigen wir zwei Dinge:
Zunächst eine Erde mit Raketenantrieb
und ferner ein sich stark änderndes Magnetfeld, wie sie zuweilen in kosmischen Plasmastürmen auftreten. Da Plasmastürme recht ungemütlich sind, können Sie auch den nebenstehenden Bauplan verwirklichen. Der Nachteil: Das Ganze nimmt Ausmaße von mehreren zehntausend Kilometern an.


Der Konstruktionsplan für unser kosmologisches Experiment

Ein kosmologisches Experiment
Wenn die Erde unsere Konstruktion durchfliegt, treffen deren beider Magnetfelder aufeinander. Es wirkt dann eine Kraft auf den Planeten, die ihn ablenkt. Die Kraft hängt dabei stark von der Richtung der Magnetfeldachse ab. Zum Verständnis hilft hier die Kompassnadel: Ist sie korrekt ausgerichtet, so wirkt keine Kraft mehr, steht die Nadel jedoch senkrecht zum Feld, so nimmt die Kraft ihren Höchstwert an.

Klicken Sie auf das Bild für eine Flash-Animation

So ähnlich ist es auch beim Planeten. In unserem Experiment gibt es zwei Einstellungen, bei denen die Erde maximal abgelenkt wird. In einem dritten Extremfall passiert gar nichts. Der Übergang dazwischen ist fließend. Wir müssen also nur schauen, wie stark die Erde abgelenkt wird, und fertig ist die Magnetfeld-Ausrichtungs-Bestimmungsapparatur.

Stern-Gerlach-Experiment
Wie gesagt - das Ganze ist aufwändig. So wichen die beiden Physiker Otto Stern und Walther Gerlach 1923 auch auf kleinere Objekte aus. Statt Planeten nahmen sie Silberatome. Das Magnetfeld schufen sie mit einer Konstruktion wie der obigen - jedoch mit handlichen Ausmaßen.

Was hatten die beiden vor? Sie wollten die Ausrichtung des Magnetfeldes von Silberatomen untersuchen.

Und was fanden sie heraus? Als sie die Teilchen durch ihre Magnetfeld-Ausrichtungs-Bestimmungsapparatur schickten, registrierten sie nur zwei Ablenkungen: nach oben oder nach unten. Kein Dazwischen.

Das unterscheidet das Silberatom nun in eklatanter Weise von einem erdähnlichen Planeten. Der Grund dafür liegt in der Tatsache, wie das Magnetfeld der Silberatome entsteht. Physiker führen es auf
eine Eigenschaft der Teilchen zurück, die sie Spin nennen.

Die unterschiedlichen Spin-Einstellungen bei Elektron und Gluon, dem Träger der starken Wechselwirkung

Der Spin
Jedes Teilchen hat einen Spin. Otto Stern und Walther Gerlach hatten herausgefunden, dass es für den Spin von Silberatomen nur zwei Einstellungen gibt. Dasselbe gilt für die fundamentalen Materieteilchen in der Teilchenphysik. Dazu zählen die Elektronen, Quarks und Neutrinos. Auch hier gibt es nur ein nach oben oder unten. Physiker sprechen in diesem Fall von Spin-1/2-Teilchen. Es gibt aber auch Teilchen mit einem Spin von 0 (nur eine Einstellung) oder einem von 1 (drei Einstellungen) und so fort.

Mehr über die Verquickung von Spinzahl und Anzahl der möglichen Einstellungen erfahren Sie hier.

Der Spin erinnert bei all dem in vielen Fällen an eine Drehung um eine eigene Achse. Deshalb wird er auch "Eigendrehimpuls" genannt. Doch er wartet mit einigen Absonderlichkeiten auf. Zum Beispiel der folgenden: Während man die Erde nur einmal um 360 Grad drehen muss, damit sie wieder so vor einem steht wie zuvor, müsste man ein Elektron dafür bereits zweimal um sich drehen. Zudem fällt es schwer sich vorzustellen, wie sich ein punktförmiges Objekt um sich selbst drehen kann. Und dann gibt es da ja noch diese Merkwürdigkeit, dass beim Spin nicht beliebige Einstellungen möglich sind. Das liegt am Wesen der Quantenmechanik, die nun einmal für die Welt der kleinsten Teilchen gilt. Nach ihren Gesetzen ist es vorbei mit den prinzipiellen Freiheiten, wie sie noch bei der Drehung der Erde vorliegen. Der Spin von Teilchen ist "gequantelt", das heißt, er kann nur ganz bestimmte Werte annehmen. Eine Schallplatte hat ja auch zwei Seiten. Nur wenn eine der beiden oben liegen muss, spielt die Musik.

Mehr über das Rätsel um den Protonen-Spin erfahren Sie bei "Krisen-Management bei HERMES".

Epilog  
"Herr Stern, ich hätte da noch eine Frage", mag Ihnen nun durch den Kopf schießen.
"Ja bitte?", wäre eine mögliche Antwort.
"In diesem Text hier heißt es, dass der Spin von Elektronen nur nach oben oder unten zeigt."  
"Ach, heißt es da so?"  
"Ich mag das nicht glauben. Was, wenn ich meinen Kopf einfach zur Seite drehe? Dann zeigt der Spin doch nach oben rechts oder unten links! Nicht nach oben oder unten."  
  Kurze Pause.
"Da hat wohl jemand arg vereinfacht. 'Oben und unten' meint immer nur 'in Bezug auf eine bestimmte Messung'. Den Spin eines Teilchen können Sie nur über ein Magnetfeld messen, Sie können ihn nicht mit Ihren Augen sehen. Daher bedeutet 'oben und unten' immer 'oben und unten in Bezug auf ein Magnetfeld'."  
  Ganz kleinlaut würde der Autor dann anfügen:
"Entschuldigen Sie!"  

 

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