Hat die Feynman-Heuristik „einfache Effekte haben einfache Ursachen“ für die Spin-Statistik versagt?

Jemand hier hat kürzlich angemerkt, dass „die Spin-Statistik-Sache kein Problem ist, es ist ein Theorem (eine nachweislich gültige Behauptung), und es sollte nicht angesprochen werden, es sollte verstanden und gefeiert werden.

"Spin-Statistiken" ist natürlich die Kurzform, um auf eine äußerst merkwürdige Tatsache über das Universum Bezug zu nehmen, nämlich diese: Wenn ein Teilchen irgendeinen Typs einen "Spin" hat, der in ganzen Einheiten des quantisierten Drehimpulses gemessen wird, ist es ein Boson, eine Gruppe, die energieähnliche Kraftteilchen wie Photonen umfasst. Wenn sein Spin jedoch (ziemlich seltsam) um eine halbe Einheit versetzt ist, ist es stattdessen ein Fermion, das die Teilchen enthält, die den Raum einnehmen und aus denen die meisten gewöhnlichen Materien bestehen.

Die Regel ist sehr einfach. Die Erklärung dafür ist wohl etwas komplizierter.

Ich finde es faszinierend, dass Nobelpreisträger Richard Feynman sich jahrzehntelang Sorgen um dieses einfache Theorem gemacht hat, aber er schien nie eine Erklärung dafür zu finden, die ihn wirklich zufriedenstellte. Es war kein Mangel an mathematischen Erklärungen, sollte ich anmerken. Das lag daran, dass Feynman fest an eine ziemlich einfache Suchheuristik glaubte: Sehr einfache Beziehungen sollten im Allgemeinen auch einfache, leicht zu vermittelnde Erklärungen haben.

Leider schien mir Feynmans letzter Versuch, die Spin-Statistik zu erklären, in seiner Dirac-Vorlesung immer eine seiner am wenigsten klaren Darlegungen aller Zeiten. Ich bin mir ziemlich sicher, dass Feynman seinen Vortrag selbst so beurteilt hätte, da er dazu neigte, ziemlich brutal in Selbstkritik zu sein, wenn es um Klarheit der Erklärung ging.

(Ich denke, in dieser Beobachtung steckt übrigens ein interessanter Familieneinblick: Richard Feynmans wissenschaftlich veranlagter Vater hoffte immer, dass sein Sohn, der die Ausbildung erhalten hatte, die er nie bekommen konnte, ihm eines Tages all diese kleinen physikalischen Rätsel erklären würde. Die Der junge Richard nahm diese Pflicht sehr ernst und gab sie nie wirklich auf, selbst gegen Ende seines eigenen Lebens.)

Also, meine Frage und Herausforderung: Wie geht es allen heutzutage bei Feynmans Spin-Statistik-Challenge?

Haben Sie, lieber Leser, eine wirklich einfache Erklärung dafür in der Hand, warum Ganzspin-Teilchen immer Bosonen zu sein scheinen und solche mit Halbspin-Offsets immer Fermionen zu sein scheinen?

Ich frage nicht nach gewundenen Gürteln und Weingläsern (bitte nein! ), noch frage ich nach etwas Mathefreiem ... obwohl ich denke, dass jeder, der versucht, diese Frage zu beantworten, sich zuerst ansehen sollte, wie Feynman selbst mit komplexen Zahlen in seiner umgeht Buch QED . Was ich verlange , ist Einsicht, die Art von Erklärung, die den Leser innehalten und denken lässt, wow, das ist es natürlich, warum habe ich es nicht wie vorher gesehen?

Also, irgendjemand? Ich werde diesem wahrscheinlich keinen expliziten Bonus geben, aber wenn jemand eine Erklärung liefern kann, die alle +1 von den Socken haut, garantiere ich, dass ich mindestens ein paar hundert Punkte zu diesem Gesamtkonsens beitragen werde.

Für diejenigen, die einen Link zu Feynmans Dirac-Vortrag haben wollten. youtu.be/cKzzG5DS6V8
Eine Playlist mit allen Teilen von Feynmans Dirac-Vortrag ist hier: youtu.be/cKzzG5DS6V8?list=PLC3D8F5EA631EBA02
@gns-ank, danke, ich wusste nicht, dass es online verfügbar ist!
Ehrlich gesagt ist mir Ihre Frage nicht klar, "warum Whole-Spin-Teilchen immer Bosonen zu sein scheinen", meinen Sie, warum sich Bosonen wie Bosonen verhalten? oder warum gibt es zwei Arten von Elementarteilchen? oder wie beeinflusst der Spin das Verhalten?
Hallo @TMS: Das wäre "warum sind die beiden immer korreliert?" Bosonen mit Wellenfunktionen, die unter Austausch symmetrisch sind, scheinen immer einen Ganzeinheitsspin zu haben; während Fermionen mit Wellenfunktionen, die unter Austausch antisymmetrisch sind, immer Spins zu haben scheinen, die um eine halbe Spineinheit versetzt sind. Es ist diese Korrelation, die auf einfache Weise etwas schwer zu erklären ist. Ich denke, es wäre auch fair zu sagen, dass es sogar noch schwieriger ist , seinen Einfluss zu erklären , da es keine einfache Erklärung dafür gibt, welcher Spin auf der Ebene eines Elektrons ist, das schließlich ein punktförmiges Teilchen ist.
@Terry Bollinger Die Existenz von Teilchen mit Spin 1/2, 1, 3/2, 2 usw. spiegelt die Lorentz/Poincare-Invarianz wider. Sie sind die irreduziblen Darstellungen der Lortentz/Poincare-Gruppen. Ihre Frage reduziert sich also wahrscheinlich auf: Warum sind die Grundgesetze (Lagrange) der Natur Lorentz / Poincare-invariant? Warum Bosonen und warum Fermionen, das sind nur Assoziationen mit Namen, eine Art von Teilchen, die als Fermionen bezeichnet werden, mit einem ungeraden Vielfachen von 1/2 und Bosonen mit einem ganzzahligen Spin.
@JKL, tolle Punkte. Die Mathematik ist gut verständlich und führt sauber zu den beiden Arten von Statistiken. Wenn Sie also anhand dieser Mathematik klar zeigen können, warum 1/2-Spin-Offsets immer Fermionen und ganze Spins immer Bosonen ergeben, haben Sie vielleicht den Anfang der Art von Antwort, auf die Feynman immer gehofft hat.
@TerryBollinger Ich dachte wirklich, ich hätte deine Frage verstanden, als ich meinen Kommentar schrieb. Jetzt bin ich wirklich verwirrt. Ein Boson gibt nicht immer Bosonen, die Bildung von Elektron-Positron-Paaren aus einem Photon (in der Nähe eines Atoms) ist ein gutes Beispiel. Irgendetwas kommt in Ihrer Frage wohl nicht deutlich genug zum Ausdruck, und nach anderen Kommentaren, die ich gelesen habe, bin ich nicht der Einzige, der Ihrem Gedankengang nicht folgt. Die Erhaltung des Drehimpulses und die Symmetriestruktur bestimmen die Wellenfunktionen und die Produkte eines Zerfalls aus der Sicht des Drehimpulses.
@JKL, oops, mit "gibt" meinte ich nicht die Paarbildung, die mit genug Energie alles produzieren kann. Aus diesem Wikipedia-Artikel gibt es diese Zeile: "Mit anderen Worten, das Spin-Statistik-Theorem besagt, dass Teilchen mit ganzzahligem Spin Bosonen sind, während Teilchen mit halbzahligem Spin Fermionen sind." Die Werte sind natürlich mehr als nur Etiketten, da Spin 1 die kleinstmögliche Einheit des quantisierten Drehimpulses ist. Aus diesem Grund waren die Leute mehr als ein bisschen überrascht, als sie (über Stern-Gerlach glaube ich) einige Teilchen mit Spins von halben Einheiten fanden.
Es ist ein interessanter Punkt, aber ich bin mir nicht sicher, ob einfache Regeln immer einfache Erklärungen haben. Zum Beispiel sind viele Aussagen in der Zahlentheorie sehr einfach zu formulieren, aber oft sehr schwer zu beweisen. Was sollen wir zu dem von Wiles bewiesenen Satz von Fermat sagen?
Kennen Sie übrigens den schönen Beweis des Theorems ohne Relativitätstheorie und Feldtheorie?
@lcv Jeder "schöne Beweis", der keine Relativitätstheorie verwendet, ist falsch, da der Satz Relativitätstheorie als Hypothese erfordert. Es gilt nicht für nichtrelativistische Theorien.
@lcv Ich habe mehrere solcher "schönen" Beweise gesehen, und sie alle beweisen etwas, das wesentlich schwächer (und weniger interessant) ist als das echte Spin-Statistik-Theorem, und bin dann verwirrt darüber, was sie tatsächlich gezeigt haben.
"Der junge Richard hat diese Pflicht sehr ernst genommen und sie nie wirklich aufgegeben, selbst gegen Ende seines eigenen Lebens." Feynman wurde sowohl bei der zweiten Hochzeit meines eigenen Vaters (nachdem sein erster Ehepartner starb; Feynman war ein obskurer Doktorand, als mein Vater zum ersten Mal heiratete) als auch bei der Beerdigung meines eigenen Vaters zitiert. Er hat diese Pflicht tatsächlich ernst genommen und sie gut gemacht (und ist zu jung gestorben).

Antworten (1)

Der einfachste mir bekannte Beweis des Spin-Statistik-Theorems wird in den beiden Videos auf http://www.motionmountain.net/videos.html gezeigt. Ein Video zeigt das Spin 1/2-Verhalten, das andere Video zeigt, dass das Fermion-Verhalten automatisch folgt .

+1 für ein wirklich schönes Paar Gürtelvideos, trotz meines sehr aufrichtigen "Bitte nein!" Bitte an dieser Stelle :). "Zweimaliges Austauschen von Schnallen = 720 " wird Leute verwirren, die nur 360 sehen Rotation, aber Feynman und andere erklären, warum das so ist. Aus Spin 1 wird "keine Gürtel, nur Schnallen", was in der Beschreibung leider nicht erwähnt wird. Die gemeinsame zugrunde liegende Mathematik wird korrekt vermerkt. Aber leider: Ich vermute, dass die meisten Leute, die selbst ein gutes Video wie dieses sehen, sich fragen werden, warum Gürtel "genau wie Spin 1/2" (Spinner) und Schnallen "genau wie Spin 1" sind. Also: Gute Feynman-Aufnahme.
Das Gürteltrick-Video ist ein Klassiker, aber es ist einfach falsch. Es sagt uns, dass Phasen, die durch Rotation (bezogen auf den Spin) erworben wurden, mit Phasen verwandt sind, die durch physikalischen Austausch von Teilchen erworben wurden. Das ist nicht dasselbe wie die Phase, die mit der Teilchenstatistik verbunden ist, worum es beim Spin-Statistik-Theorem geht, also beweist das Video es nicht.
Anders gesagt: Der Spin-Statistik-Satz gilt nur für relativistische Theorien. Der Gürteltrick-Beweis erwähnt die Relativitätstheorie nirgendwo; es beweist zu viel, also muss es falsch sein.
@knzhou Seien Sie nicht zu schnell, um die Relevanz des Gürteltricks zu ignorieren: Beim üblichen Gürteltrick gehen wir davon aus, dass die Position des Gürtels unphysikalisch ist (dh wir „zählen“ keine Schritte, bei denen wir nur die bewegen Gürtel und nicht die Schnallen). Wenn diese Gürtel bestimmte Fäden sind, die aus Fermionen herausragen, dann könnte die Relativitätstheorie verwendet werden, um zu argumentieren, dass diese Fäden topologisch sind (was mit der Willkür räumlicher Scheiben zu tun hat) und nach Belieben bewegt werden können.
@RubenVerresen Sehr interessant! Klingt tief, da muss ich noch mal drüber nachdenken...