"Spin" est un mot anglais issu du verbe "to spin", tourner sur soi-même. Il s'agit d'une propriété des particules élémentaires, d'une quantité qui définit l'état dans lequel elles se trouvent. Le spin n'est utilisable qu'en mécanique quantique : il n'a pas de réel équivalent en mécanique classique, celle que l'on utilise sans problème à notre échelle, même s'il ressemble assez bien à une rotation de la particule sur elle-même.
Le moment angulaire, aussi appelé moment cinétique, est une quantité associée à toute masse tournant autour d'un axe, et peu importe si cet axe traverse la masse ou non. Il s'agit d'un vecteur, et les vecteurs sont à leur tour des objets mathématiques, décrits par quatre valeurs. On a pris l'habitude de représenter les vecteurs par des petites flèches, justement parce que pour dessiner correctement ces petites flèches, il faut faire attention à quatre choses, quatre choses qui correspondent naturellement aux quatre valeurs nécessaires pour décrire, mathématiquement, un vecteur.
En premier lieu, le point d'application : c'est la base de la flèche, l'endroit où on pose le crayon quand on commence à la dessiner. Ensuite, la direction et le sens. Ces deux notions sont parfois confondues, alors que le sens vient après la direction. La direction se rapporte à la manière dont le vecteur est disposé dans l'espace. On peut envisager des vecteurs verticaux, horizontaux, obliques par exemple. Le sens vient juste après, et il permet de faire la part des choses entre "vers le haut" et "vers le bas" pour la direction verticale, ou encore entre "vers la gauche" et "vers la droite" pour la direction horizontale. Dans les deux cas, il faut remarquer la possibilité de définir deux sens opposés pour une seule et même direction. Enfin, la longueur de la petit flèche, les mathématiciens l'appellent "norme".
Le moment angulaire est un vecteur donc, et son point d'application se situe au niveau du centre du mouvement de rotation. Sa direction reste perpendiculaire à ce mouvement. Pour le sens, en observant un objet tourner dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, le vecteur-moment cinétique pointe vers toi. La norme du vecteur correspond au produit de trois quantités : la masse de l'objet tournant, la longueur du rayon du mouvement de giration, et enfin la vitesse à laquelle l'objet tourne.
La propriété par excellence du moment cinétique, c'est le fait qu'il se conserve, reste constant. Si tu as une chaise de bureau pivotante à 360° et suffisamment d'espace, tu peux expérimenter la conservation de ton propre mouvement cinétique. Commence par te faire tourner avec les bras écartés, et une fois lancé, resserre les bras vers toi. Normalement, tu devrais constater une légère accélération de ton mouvement de rotation. Le produit masse.rayon.vitesse restant inchangé, une diminution du rayon quand les bras sont rétractés doit se compenser par une augmentation de la masse (normalement impossible) ou de la vitesse (et c'est ce qu'on remarque).
La masse se mesure en kilogrammes, la longueur en mètres et la vitesse en mètres par seconde. Un moment cinétique, en tant que produit de ces trois quantités, se trouve alors censé se mesurer en kg.m²/s. En utilisant la formule E = mc², on convertit facilement les kg.m²/s en J.s (Joule-seconde). Le Joule est l'unité dans laquelle se mesurent les énergies, du moins en physique contemporaine. Le Joule-seconde à ne pas confondre avec le Joule par seconde (J/s, avec une division et non une multiplication ici) qui est la grandeur dans laquelle se mesure la puissance. 1 Joule par seconde égale un Watt, soit dit en passant.
Le spin des particules élémentaires se mesure, quand on peut le faire, en Joule-seconde, et c'est parce que les unités sont les mêmes que l'on a rapproché le spin du moment cinétique... et que l'on a donné son nom au spin, évidemment. Seulement, il y a un souci quand on veut absolument définir le spin comme une rotation réelle de la particule sur elle-même. D'abord, les particules élémentaires peuvent parfaitement se laisser décrire comme des points par les physiciens, sans aucune taille ni volume. Mais faire tourner un point sur lui-même n'a pas de sens. Si les particules élémentaires ont une taille, autrement dit sont vraiment des minuscules grains de matière ou d'énergie, alors la valeur de leur spin est trop grande par rapport à leur masse et leur taille, et correspond à des vitesses de rotation absurdement élevées.
Les particules élémentaires se divisent en deux familles selon la valeur de leur spin. Tout d'abord, ce spin ne prend pas n'importe qu'elle valeur. Il se mesure en une unité qui est la "constante de Planck réduite". Ce n'est rien d'autre que la constante de Planck (h) divisée par 2pi, et elle se note h. Pour la première famille de particules, le spin prend des valeurs entières de h (0, 1 ou 2) : ce sont les bosons. Pour la seconde famille de particules, les fermions, le spin prend des valeurs demi-entières (1/2 ou 3/2 le plus souvent). Si le spin correspondait réellement à une rotation de la particule sur elle-même, sa valeur donnerait une indication du nombre de tours que doit effectuer la particule pour retrouver son état de départ à "l'œil" d'un observateur. Ce nombre de tours est l'inverse du spin (1 sur le spin). Un électron qui possède un spin de 1/2 h doit faire deux tours sur lui-même pour être "vu" dans le même état qu'avant d'avoir tourné.
Les fermions correspondent en partie aux particules de matière (quarks, électron et neutrinos), alors que les bosons se trouveront plutôt chez les particules chargées de véhiculer les interactions, les forces entre particules de matière. Le photon, qui transmet l'interaction électromagnétique, n'a pas de spin (enfin il vaut 0), et si le graviton existait, il posséderait un spin valant 2.
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