Spin

Spin ist eine fundamentale Quanteneigenschaft von Elementarteilchen, die oft als Eigendrehimpuls beschrieben wird. Allerdings ist diese Beschreibung irreführend: Ein Elektron dreht sich nicht wirklich um seine eigene Achse. Der Spin ist eine intrinsische Eigenschaft ohne klassisches Analogon, vergleichbar mit der elektrischen Ladung. Er existiert einfach als Quantenzahl, die jedes Teilchen besitzt.

Der Spin wird in Einheiten des reduzierten Planckschen Wirkungsquantums ħ gemessen. Teilchen mit ganzzahligem Spin (0, 1, 2) heißen Bosonen und gehorchen der Bose-Einstein-Statistik. Teilchen mit halbzahligem Spin (1/2, 3/2) heißen Fermionen und gehorchen dem Pauli-Ausschlussprinzip, das besagt, dass zwei Fermionen nicht denselben Quantenzustand einnehmen können. Dieses Prinzip erklärt den Aufbau der Atomhüllen, die Stabilität der Materie und den gesamten Periodensystem der Elemente.

Elektronen, Quarks und Neutrinos haben Spin 1/2. Photonen haben Spin 1. Das 2012 am CERN entdeckte Higgs-Boson hat Spin 0. Das hypothetische Graviton hätte Spin 2. Die Messung des Spins eines Teilchens liefert immer einen von wenigen diskreten Werten, und die berühmten Stern-Gerlach-Experimente von 1922 zeigten erstmals diese Quantisierung.

In der Quanteninformationstechnologie bildet der Spin von Teilchen die Grundlage für Qubits, die Recheneinheiten von Quantencomputern. In der Science-Fiction dient Spin gelegentlich als Handlungselement in Geschichten über Quantenphysik. Robert Charles Wilsons Roman Spin (2005) trägt zwar den Titel, handelt aber von einer Zeitblase um die Erde und nicht direkt von Teilchenphysik.

Der Spin-Begriff veranschaulicht ein tiefes Problem des Quantenverständnisses: Quanteneigenschaften wie Spin existieren nicht als Messwert, bevor man misst. Vor der Messung befindet sich ein Teilchen in einer Superposition verschiedener Spin-Zustände. Erst der Messvorgang legt den Wert fest. Einstein betrachtete diese Unvollständigkeit als Zeichen, dass die Quantenmechanik noch nicht die vollständige Realität beschreibt. Bohr und Heisenberg sahen keine Unvollständigkeit, nur Grenzen der klassischen Beschreibbarkeit. Dieser Streit ist bis heute nicht vollständig aufgelöst.

Der verschränkte Spin zweier Teilchen, von Einstein als spukhafte Fernwirkung bezeichnet, ist heute experimentell bestätigt und technologisch nutzbar. Quantenverschlüsselung nutzt Spin-Verschränkung, um Abhörsicherheit zu garantieren. Zukünftige Quantencomputer werden Spin-Zustände als Qubits nutzen, um bestimmte Klassen von Berechnungen exponentiell schneller durchzuführen als klassische Computer. Das klingt nach Science Fiction, ist aber aktive Ingenieurwissenschaft.