Le spin

Un moment cinétique sans rotation

Une propriété de plus, purement quantique

Une particule quantique n'est pas décrite seulement par sa position et son énergie. Elle possède aussi une propriété interne, le spin, qui n'a aucun équivalent en physique classique. C'est l'une des grandeurs les plus étranges — et les plus importantes — de tout le domaine.

Une analogie utile... mais trompeuse

Le mot « spin » (de l'anglais to spin, tourner) suggère une petite toupie : l'électron tournerait sur lui-même comme une planète. Cette image aide à démarrer, mais elle est fausse :

l'électron est ponctuel (sans taille mesurable) : il ne peut pas « tourner sur lui-même » au sens usuel ;
si on prenait l'image au sérieux, sa surface devrait tourner plus vite que la lumière ;
le spin prend des valeurs quantifiées, impossibles pour une vraie rotation.

Le spin est donc un moment cinétique intrinsèque : la particule se comporte comme si elle tournait (elle a un moment cinétique, elle réagit à un champ magnétique comme un petit aimant), mais sans rien qui tourne réellement. C'est une propriété fondamentale, au même titre que sa charge ou sa masse.

Le spin est quantifié

Comme toute grandeur quantique, le spin ne prend que des valeurs discrètes. Pour l'électron (et le proton, le neutron...), la mesure du spin selon une direction ne peut donner que deux résultats :

   spin "vers le haut"   ->  note  +1/2   ou   |↑⟩
   spin "vers le bas"    ->  note  -1/2   ou   |↓⟩

Il n'y a pas de valeur intermédiaire. Un électron mesuré est soit « up », soit « down » — jamais « un peu penché ». C'est cette quantification à deux valeurs qui fait de l'électron le support naturel du qubit (les états |0⟩ et |1⟩).

Fermions et bosons

Le spin sépare toutes les particules de l'univers en deux familles, aux comportements radicalement opposés :

   Spin DEMI-ENTIER (1/2, 3/2, ...)   ->  FERMIONS
        electron, proton, neutron          "individualistes" (Pauli, ch.2)
        -> constituent la MATIERE

   Spin ENTIER (0, 1, 2, ...)          ->  BOSONS
        photon, gluon                      "grégaires"
        -> vehiculent les FORCES

Cette distinction, qu'on pourrait croire abstraite, gouverne toute la structure de la matière — c'est le sujet du chapitre suivant. Les fermions, à cause de leur spin demi-entier, obéissent à une règle d'exclusion qui empêche la matière de s'effondrer.

En résumé