El giro se define como el número de rotaciones requeridas por una partícula para recuperar su estado original y “verse” exactamente “igual”.
Por ejemplo, un objeto asimétrico como una piedra o un libro necesita una rotación completa de 360 ° hasta que vuelva a verse igual. Este giro se llama “Spin-1”: una partícula después de una rotación completa vuelve a estar en el mismo estado.
Obviamente no tiene sentido decir ‘una partícula se ve igual’ ya que no podemos “verla”, pero las partículas tienen estados bien definidos que pueden ser detectados por los cuales podemos decir que una partícula está nuevamente en el mismo estado .
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Una partícula de spin-2 se comporta bajo rotación como una tarjeta de juego o una aguja que se ve igual (está nuevamente en el mismo estado) después de media rotación (180 °).
Los dos ejemplos anteriores son fáciles de comprender, pero las partículas como los electrones tienen 1/2 giro, y aquí es donde las cosas se complican.
Una partícula spin-1/2 necesita dos rotaciones completas (2 × 360 ° = 720 °) hasta que vuelva a estar en el mismo estado. No hay nada en nuestro mundo macroscópico que tenga una simetría como esa. El sentido común nos dice que algo así no puede existir, que simplemente es imposible. Sin embargo, así es como es.
En realidad, se puede probar estableciendo un experimento que demuestre que los electrones se comportan exactamente de esta manera extraña. Si los ‘da la vuelta’ una vez que no están en el mismo estado pero en “negativo de ese estado” y solo después de otra rotación completa, vuelven a estar en el “estado original” en el que habían estado inicialmente.
Incluso si no podemos imaginar un comportamiento tan extraño, aún podemos calcularlo matemáticamente. Un libro de texto básico sobre mecánica cuántica puede dar una perspectiva matemática sobre “1/2 giro” y, por lo tanto, resulta atractivo para nuestra lógica teórica. Pero comienza a parecer vago si tratamos de aplicar las mismas reglas a las cosas que conocemos en el mundo macroscópico. El mundo cuántico es realmente muy diferente y está lejos de nuestra experiencia.
Toda la materia en el universo se construye a partir de partículas fundamentales que tienen 1/2 espín, por ejemplo: electrones, quarks, muones, tao, etc. Estos se llaman “Fermiones”.
Por otro lado, todas las fuerzas fundamentales como la fuerza electromagnética, la fuerza gravitacional, la fuerza fuerte y la débil están mediadas por portadores de fuerza que tienen 1 espín (espín integral), por ejemplo: fotones, gluones, gravitones, bosones W y Z. Estos se llaman “bosones”.
La razón fundamental es que las partículas con espín medio integral (como 1/2, 3/2, …) se comportan de una manera totalmente diferente cuando juntas un montón de ellas, en comparación con las partículas con espín integral (como 0, 1 , 2, …).
Recuerde que el giro es básicamente algo sobre simetría:
- Las partículas de 1/2 espín tienen una simetría extraña de que una vuelta completa no las devuelve al mismo estado sino que son “negativas” del estado original y solo una segunda vuelta completa las devuelve al estado que tenían inicialmente.
- Eso se llama matemáticamente como comportamiento ‘antisimétrico’ . Lo mismo es cierto para cualquier otro valor medio integral del giro.
- Las partículas con giro integral se comportan de manera “simétrica” .
Las partículas con espín medio integral se llaman ‘Fermiones’ porque obedecen las estadísticas de Fermi-Dirac, mientras que las partículas con espín integral obedecen las estadísticas de Bose-Einstein y se llaman ‘Bosones’.
Esto se debe al ” Principio de Exclusión de Pauli” . De acuerdo con esta ley, si toma un montón de tales partículas y las junta, permanecerían en diferentes condiciones o estados, incluso cuando intentan minimizar su energía potencial. La regla es que tienen que ser diferentes en al menos un número cuántico. Sin el principio de Pauli, todos los electrones estarían en la capa más baja de un átomo porque esta es la energía mínima que la naturaleza siempre intenta alcanzar. La materia no construiría estructuras cada vez más altas sin esta regla.
Pero el principio de Pauli se aplica solo a las partículas con giro semi-integral.
Los electrones de la capa atómica tienen un giro semi-integral y también los protones y neutrones en el núcleo y un nivel más profundo de los quarks dentro de los protones y neutrones.
La forma en que un montón de partículas que juntas organizan para obedecer el principio de Pauli se expresa mediante estadísticas, y esta estadística fue encontrada y nombrada por Enrico Fermi y Paul Dirac. Esa es la razón por la cual las partículas con giro semi integral se llaman ‘Fermiones’.
Para las partículas que no tienen un giro medio integral sino integral, el principio Pauli simplemente no es válido. Se les permite ir a todos en el mismo estado. Su comportamiento estadístico fue calculado primero por el físico indio Satyendra Nath Bose para fotones (espín 1) en 1920 y luego generalizado por Albert Einstein en 1924. Las partículas con espín integral llevan el nombre de Bose. Si miles de millones de partículas entran en el mismo estado, esta materia se llama condensado de Bose-Einstein.
Pero debido a que esto es algo extremadamente teórico y matemático central en su naturaleza, es imposible explicarlo en términos prácticos con analogía o experimentos del mundo real. Para comprender este concepto, uno tiene que aprender la mecánica cuántica.
