电子是精通技巧的小魔术师。它们似乎在原子中随意飘动，不留下特定的路径，它们经常同时出现在两个地方，并且它们在硅微芯片中的行为为现代世界的计算基础设施提供动力。但它们最令人印象深刻的技巧之一却具有欺骗性的简单，就像所有最好的魔术一样。电子似乎总是在自旋。每一个被观察到的电子，无论是漫步在你指甲上的碳原子周围，还是在粒子加速器中疾驰，看起来都像是在世界中穿行时不断地进行微小的旋转。它的自旋似乎永远不会减速或加速。无论电子如何被推搡或踢打，它看起来总是以完全相同的速度旋转。它甚至有一个小小的磁场，就像一个带电的旋转物体应该有的那样。自然而然地，物理学家将这种行为称为“自旋”。
但尽管看起来如此，电子并没有自旋。它们不可能自旋；证明电子不可能自旋是任何量子物理学入门课程中的一道标准家庭作业题。如果电子真的旋转得足够快，以解释它们所表现出的所有类似自旋的行为，那么它们表面的运动速度将远超光速（如果它们甚至有表面的话）。更令人惊讶的是，近一个世纪以来，这种看似矛盾的现象一直被大多数物理学家视为量子世界的又一个奇怪特征——没什么值得为此失眠的。
然而，自旋却非常重要。如果电子看起来没有自旋，你的椅子就会坍缩成极小的体积。你也会坍缩——而那将是你最不该担心的问题。没有自旋，整个元素周期表都会崩溃，所有的化学物质也会随之消失。事实上，根本不会有任何分子。因此，自旋不仅仅是电子最出色的技巧之一；它也是它们最关键的技巧之一。而且，就像任何优秀的魔术师一样，电子并没有告诉任何人这个魔术是如何完成的。但现在，一种关于自旋的新解释可能即将出现——它将拉开帷幕，揭示魔术是如何运作的。
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令人眼花缭乱的发现
自旋一直令人困惑。即使是最早提出自旋概念的人也认为它一定是错误的。1925年，两位年轻的荷兰物理学家塞缪尔·古德斯米特和乔治·乌伦贝克正在研究著名（且以尖刻著称）的物理学家沃尔夫冈·泡利的最新著作。泡利为了解释原子光谱和元素周期表的结构，最近假设电子具有“经典理论无法描述的双值性”。但泡利并没有说他的新值对应于电子的什么物理属性，古德斯米特和乌伦贝克想知道那会是什么。
他们所知道的——当时任何人所知道的——是泡利的新值与经典牛顿物理学中一个众所周知的属性——角动量的离散单位有关。角动量只是旋转物体保持旋转的趋势。它是使陀螺旋转和自行车保持直立的原因。物体旋转得越快，它就具有越大的角动量，但物体的形状和质量也很重要。一个较重的物体比一个旋转速度相同的较轻的物体具有更大的角动量，并且一个边缘质量更大的旋转物体比其质量集中在中心时具有更大的角动量。
物体可以具有角动量而无需自旋。任何围绕另一个物体旋转的东西——地球绕太阳旋转或一串钥匙在挂绳上绕你的手指摆动——都具有一定的角动量。但古德斯米特和乌伦贝克知道，这种角动量不可能是泡利新数字的来源。电子似乎确实围绕原子核运动，被它们负电荷和原子核中质子的正电荷之间的吸引力紧紧吸引。但是它们从这种运动中获得的角动量已经被充分解释，不可能是泡利的新数字。物理学家们也知道，已经有三个与电子相关的数字，它们对应于电子可以运动的三个空间维度。第四个数字意味着电子可以运动的第四种方式。两位年轻的物理学家推断，唯一的选择是电子本身在自旋，就像地球在绕太阳公转时绕地轴自转一样。如果电子可以沿两个方向之一——顺时针或逆时针——自旋，那将解释泡利的“双值性”。
古德斯米特和乌伦贝克兴奋地写下了他们的新想法，并将其展示给他们的导师保罗·埃伦费斯特。埃伦费斯特是阿尔伯特·爱因斯坦的密友，也是一位杰出的物理学家，他认为这个想法很有趣。在他考虑时，他告诉两位渴望的年轻人去咨询一位更年长、更明智的人：荷兰物理学界的泰斗亨德里克·安托恩·洛伦兹，他在二十年前就预料到了狭义相对论的大部分发展，爱因斯坦本人也对他非常尊敬。
但洛伦兹对自旋的想法不如埃伦费斯特印象深刻。正如他向乌伦贝克指出的那样，已知电子非常小，至少比原子小3000倍——而原子已知大约为十分之一纳米，比一张纸的厚度小一百万倍。由于电子如此之小，而且它的质量更小——十亿分之一的十亿分之一的十亿分之一克——它不可能旋转得足够快，以解释泡利和其他人正在寻找的角动量。事实上，正如洛伦兹告诉乌伦贝克的那样，电子的表面必须以比光速快10倍的速度运动，这是绝对不可能的。
乌伦贝克垂头丧气地回到埃伦费斯特那里，告诉他这个消息。他要求埃伦费斯特废弃这篇论文，却被告知为时已晚——他的导师已经把论文送去发表了。“你们都还年轻，可以承受一次愚蠢，”埃伦费斯特说。他是对的。尽管电子不可能自旋，但自旋的概念被广泛接受为正确的——只是不是以通常的方式。物理学家们将这一发现解释为意味着电子携带某种内在的角动量，就好像它在自旋一样，即使它不可能自旋，而不是电子真的在自旋，这是不可能的。尽管如此，这个想法仍然被称为“自旋”，古德斯米特和乌伦贝克被广泛誉为这个想法的创始人。
事实证明，自旋对于解释物质的基本性质至关重要。在泡利提出他的新双值数的同一篇论文中，他还提出了“不相容原理”，即没有两个电子可以占据完全相同的状态。如果可以的话，那么原子中的每个电子都会落到最低能量状态，几乎所有元素都会以几乎完全相同的方式相互作用，从而破坏我们所知的化学。生命将不复存在。水将不复存在。宇宙将只是充满恒星和气体，在无聊而冷漠的宇宙中漂移，甚至不会遇到一块岩石。事实上，正如后来意识到的那样，任何种类的固体物质都将是不稳定的。尽管泡利的想法显然是正确的，但尚不清楚为什么电子不能共享状态。理解泡利不相容原理的起源将为所有这些日常生活的深刻事实揭开谜底。
谜题的答案就在自旋中。很快人们发现，自旋是所有基本粒子的基本属性，而不仅仅是电子——并且与这些粒子在群体中的行为有着深刻的联系。1940年，泡利和瑞士物理学家马库斯·菲尔茨证明，当量子力学和爱因斯坦的狭义相对论结合在一起时，必然导致自旋和群统计行为之间存在联系。泡利不相容原理只是这个自旋统计定理（后来被称为）的一个特例。
英格兰布里斯托大学的荣誉物理学教授迈克尔·贝里说，这个定理是“关于世界的强大事实”。“它是化学的基础。它是超导性的基础。这是一个非常基本的事实。” 与物理学中的许多基本事实一样，人们发现自旋在技术上也很有用。在20世纪下半叶，自旋被用来开发激光器，解释超导体的行为，并为构建量子计算机指明方向。
看穿“自旋”
但是，所有这些奇妙的发现、应用和解释仍然让古德斯米特和乌伦贝克的问题悬而未决：自旋是什么？如果电子必须有自旋但又不能自旋，那么角动量从何而来？标准的答案是，这种动量只是亚原子粒子固有的，并不对应于任何宏观的自旋概念。
然而，这个答案并非对所有人都满意。“我从来不喜欢量子力学课程中关于自旋的解释，”加州理工学院的物理学哲学家查尔斯·塞本斯说。“你被介绍到它，你会想，‘好吧，这很奇怪。它们表现得好像在自旋，但它们并没有真的自旋？好吧。我想我可以学会接受它。’ 但这很奇怪。”
然而，最近，塞本斯有了一个想法。“在量子力学中，电子似乎没有旋转，”他提出。但是，他补充说，“量子力学并不是我们关于自然的最佳理论。量子场论是一个更深刻、更准确的理论。”
量子场论是亚原子粒子的量子世界与世界上最著名的方程E = mc2相遇的地方，它概括了爱因斯坦的发现，即物质可以转化为能量，反之亦然。（量子场论也产生了自旋统计定理。）由于这种能力，当亚原子粒子相互作用时，新的粒子经常从它们的能量中产生，而现有的粒子可能会衰变成其他东西。量子场论通过将粒子描述为从遍布整个时空的场中产生的，即使是空的空间也是如此，从而处理了这种现象。这些场允许粒子出现和消失，所有这些都符合爱因斯坦狭义相对论的严格规定和量子世界的概率定律。
塞本斯认为，正是这些场可能包含解决自旋之谜的答案。“电子通常被认为是粒子，”他说。“但在量子场论中，对于每个粒子，都有一种将其视为场的方式。” 特别是，电子可以被认为是量子场（称为狄拉克场）中的一种激发，而这个场可能携带电子的自旋。“狄拉克场中存在能量和电荷的真实旋转，”塞本斯说。如果角动量存在于此，那么电子自旋速度快于光速的问题就会消失；携带电子自旋的场区域远大于据称是点状的电子本身。因此，塞本斯断言，在某种程度上，泡利和洛伦兹是对了一半：没有自旋的粒子。存在一个自旋场，而这个场是产生粒子的原因。
一个无法回答的问题？
到目前为止，塞本斯的想法只是引起了涟漪，而不是波澜。加州大学圣巴巴拉分校的物理学家马克·斯雷德尼基说，当谈到电子是否在自旋时，“我认为这不是一个可以回答的问题”。“我们正在采用一个起源于普通世界的概念，并试图将其应用于一个它不再真正适用的地方。所以我认为，说电子真的在自旋，真的只是一个选择或定义或品味的问题。” 佛蒙特大学的物理学家汉斯·奥哈尼安曾做过其他关于电子自旋的工作，他指出塞本斯最初版本的想法不适用于反物质。
但并非所有物理学家都如此不屑一顾。约翰·霍普金斯大学和圣塔菲研究所的物理学家肖恩·卡罗尔说，“我们思考自旋的传统公式可能遗漏了一些重要的东西”。“塞本斯非常正确，或者至少他在做一些非常非常有用的事情，因为他非常认真地对待量子场论的‘场性’。” 不过，卡罗尔指出，“物理学家骨子里是实用主义者……。如果塞本斯百分之百正确，物理学家会说，‘好吧，那对我有什么好处？’”
加拿大滑铁卢大学的量子场论哲学家多琳·弗雷泽也赞同这一点。“我对我塞本斯提出的这个项目持开放态度，他希望更深入地挖掘，以便对自旋有一些物理直觉，”她说。“你有一个很好的数学表示；你想要有一些直观的物理图像与之相伴。” 此外，物理图像也可能带来以前没有出现过的新理论或实验。“对我来说，这将是检验这个想法是否好的标准。”
现在说塞本斯的工作是否会结出这种果实还为时过早。尽管他写了一篇关于如何解决奥哈尼安关于反物质的担忧的论文，但仍存在其他相关的未决问题。“有很多理由喜欢”场的想法，塞本斯说。“我更认为这是一个挑战，而不是反对它的决定性论据。”