亚原子粒子(如电子和质子)的“自旋”到底是什么?它是否具有任何物理意义,类似于行星的自旋?

瓦萨学院物理学教授莫顿·塔维尔回应

“当某些基本粒子穿过磁场时,它们的偏转方式表明它们具有小磁体的特性。在经典世界中,带电的自旋物体具有磁性,这与这些基本粒子表现出的磁性非常相似。物理学家喜欢类比,因此他们也用‘自旋’来描述基本粒子。”

“不幸的是,这种类比会失效,我们逐渐意识到将电子想象成一个小的自旋物体是具有误导性的。相反,我们已经学会简单地接受观察到的事实,即电子会被磁场偏转。如果有人坚持认为它是一个自旋物体的形象,那么就会出现真正的悖论;例如,与抛出的垒球不同,电子的自旋永远不会改变,并且它只有两种可能的方向。此外,考虑到我们对量子力学规则的了解,认为电子和质子是可以‘旋转’的固体‘物体’这一概念本身就难以维持。“然而,‘自旋’这个术语仍然保留了下来。”


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伯明翰-南方学院的库尔特·T·巴赫曼补充了一些历史背景和其他细节

“从 20 世纪 20 年代开始,德国汉堡大学的奥托·斯特恩和瓦尔特·格拉赫进行了一系列重要的原子束实验。他们知道所有运动的电荷都会产生磁场,因此他们提出测量原子中绕原子核运行的电子产生的磁场。然而,令这两位物理学家惊讶的是,他们发现电子本身的行为就像它们在快速自旋一样,产生微小的磁场,独立于其轨道运动产生的磁场。很快,术语‘自旋’就被用来描述亚原子粒子的这种明显的旋转。”

“自旋是一个奇异的物理量。它类似于行星的自旋,因为它赋予粒子角动量和一个称为磁矩的微小磁场。然而,基于已知的亚原子粒子尺寸,带电粒子的表面必须以快于光速的速度运动才能产生测量的磁矩。此外,自旋是量子化的,这意味着只允许某些离散的自旋。这种情况造成了各种复杂情况,使自旋成为量子力学中更具挑战性的方面之一。”

“从更广泛的意义上讲,自旋是影响原子和分子中电子和原子核排序的基本属性,这使其在化学和固态物理学中具有重要的物理意义。自旋同样是所有亚原子粒子之间相互作用的重要考虑因素,无论是在高能粒子束、低温流体还是来自太阳的稀薄粒子流(称为太阳风)中。事实上,许多(如果不是大多数)物理过程,从最小的核尺度到最大的天体物理距离,都极大地依赖于亚原子粒子的相互作用以及这些粒子的自旋。”

夏威夷大学马诺阿分校物理学教授维克多·J·斯滕格提供了另一种更专业的视角

“自旋是物体的总角动量或本征角动量。基本粒子的自旋类似于宏观物体的自旋。事实上,行星的自旋是其所有基本粒子的自旋和轨道角动量的总和。原子、原子核和质子(由夸克组成)等其他复合物体的自旋也是如此。”

“在经典物理学中,角动量是一个连续变量。在量子力学中,角动量是离散的,以普朗克常数除以 4 pi 为单位量子化。尼尔斯·玻尔在 1913 年提出角动量是量子化的,并用它来解释氢的光谱线。”

“在我们当前的理解水平上,基本粒子是夸克、轻子(如电子)和玻色子(如光子)。这些粒子都被想象成点状的,所以你可能会想它们怎么会有自旋。一个简单的答案可能是,也许它们也是复合的。但是,与自然的旋转对称性相关的深刻理论原因导致基本物体存在自旋及其量子化。特别重要的是费米子(如电子)和玻色子之间的区别,费米子的自旋为半整数(普朗克常数除以 2 pi 的半整数倍),玻色子的自旋为整数。费米子服从泡利不相容原理,该原理指出,两个相同的费米子不能存在于同一状态;如果没有泡利不相容原理,化学就不会有元素周期表。另一方面,玻色子倾向于聚集在同一状态,从而导致超导和玻色-爱因斯坦凝聚等现象。”

“自旋已成为其他更抽象概念的原型,这些概念似乎具有角动量的数学特性,但没有简单的经典类比。例如,同位旋在核物理学中用于表示‘核子’的两种状态,即质子和中子。类似地,夸克成对存在,称为同位旋‘上’和‘下’,这是构成普通物质的两种夸克的名称。空间和时间的旋转对称性被推广到包括更抽象的‘内部’维度中的对称性,结果是微观世界的许多复杂结构可以被视为对称性破缺的结果,这与描述宏观世界中结构自发形成的想法深刻相关。”

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