El espín y los extraños giros de los fermiones

De todas las cantidades físicas la conocida como espín se suele considerar como la más "mecano-cuántica". La palabra espín viene del inglés "spin", que significa giro o girar, y se refiere a una propiedad física de las partículas (1) subatómicas, por la cual toda partícula elemental tiene un momento angular intrínseco de valor fijo. Es una característica propia de la partícula como lo es la masa o la carga eléctrica, y una magnitud que se conserva como lo hace la energía o el momento lineal.

A diferencia de lo que ocurre con el momento angular de los objetos macroscópicos, a los que estamos acostumbrados, que puede tomar valores muy variados dependiendo de las acciones a las que se vean sujetos, la magnitud del espín de una partícula es siempre la misma para este tipo concreto de partícula. Es únicamente la dirección del eje de giro la que puede variar, aunque de una manera muy extraña.

Para un electrón, protón o neutron la cantidad de espín es siempre 1/2 del valor mínimo de momento permitido (ħ). Precisamente por eso esta cantidad de momento angular no estaría permitida para un objeto compuesto por cierto número de partículas orbitando sin que ninguna de ellas estuviese girando sobre sí misma. El espín sólo puede aparecer debido a que es una propiedad intrínseca de la propia partícula, es decir, que no surge del movimiento orbital de sus partes en torno a su centro.

Una partícula que, como el electrón, tiene un espín múltiplo impar de ħ/2 (ħ/2, 3ħ/3, 5ħ/2, etc) se llama fermión, y presenta una curiosa rareza: una rotación completa de 360º transforma su vector de estado no en sí mismo sino en el valor negativo de sí mismo; necesitaría por tanto de un giro de 720º para quedarse igual que antes del giro. La mayoría de las partículas de la Naturaleza son fermiones, las partículas restantes para las que el espín es un múltiplo entero de ħ (ħ, 2ħ, 3ħ, 4ħ, etc) se llaman bosones. Bajo una rotación de 360º el vector de estado de un bosón vuelve a sí mismo, y no a su negativo.

Si tomamos una partícula de espín 1/2, por ejemplo el electrón, el espacio de estados mecano-cuánticos posibles resulta ser bidimensional, de modo que podemos tomar una base de sólo dos estados que podemos representar como [arriba> y [abajo>, para el primero el espín gira a derechas alrededor de la dirección vertical hacia arriba y para el segundo lo hace de la misma manera hacia abajo. De la misma forma que en un plano euclidiano cualquier vector es una superposición lineal de las dos bases ortonormales consideradas, en este caso ocurre igual, cualquier estado posible de espín del electrón es una superposición lineal, por ejemplo:

w [arriba> + z [abajo>, siendo w, z dos números complejos. Puesto que el estado físico representado queda inalterado si multiplicamos las dos componentes por un número complejo distinto de cero, la razón z/q será el número complejo significativo que represente el estado de la partícula.


Este número complejo se representa sobre una esfera llamada de Riemann, tal como aparece en la figura. En el ecuador de la misma se encuentran los puntos singulares 1,-1, i y -i.



La esfera de Riemann juega un papel fundamental en cualquier sistema cuántico de dos estados, describiendo el conjunto de estados cuánticos posibles. Para una partícula de espín 1/2, su papel geométrico es particularmente evidente puesto que los puntos de la esfera corresponden a las posibles direcciones espaciales para el eje de giro. En otras situaciones el papel de la esfera de posibilidades de Riemann está bastante más oculto, con una relación mucho menos clara con la geometría espacial.


El extraño giro de 720º del electrón para quedarse igual es toda una paradoja. En muchas ocasiones nos parece que la mecánica cuántica presenta fenómenos completamente fuera de toda lógica, pero al analizar infinidad de situaciones completamente normales para nosotros a la luz de esta asombrosa teoría observamos que sin ella no tienen explicación. La propia cohesión de la materia, tal como la conocemos, o la existencia de las cuatro fuerzas fundamentales no tendrían sentido. En este último caso en sus fundamentos, paradojicamente, se encuentra el propio principio de incertidumbre. Un principio "engorroso" que parece que sólo sirve para impedirnos medir con infinita exactitud.


(1) Se admite que una "partícula" puede poseer partes individuales con tal que pueda ser tratada mecanocuánticamente como un todo simple, con un momento angular total bien definido.