電子真的可以旋轉(zhuǎn)嗎？

對于我們大多數(shù)人來說，原子作為微小太陽系的圖表是我們進(jìn)入粒子物理學(xué)世界的入門。不幸的是，這些標(biāo)志性的圖像比正確的錯誤更多。

一方面，電子不像圍繞塊狀太陽運行的小行星。它們可能甚至不是微小的球體，而是空間中的針刺，沒有寬度、高度或深度。

作為一個沒有寬度的物體，它沒有任何東西可以旋轉(zhuǎn)。

那么物理學(xué)家在描述粒子的“自旋”時指的是什么呢？

為什么我們認(rèn)為電子會自旋？

在量子力學(xué)的早期，一些物理學(xué)家琢磨了這個想法像電子這樣的粒子是否真的在旋轉(zhuǎn)。雖然這個想法并不完全符合關(guān)于電子行為的現(xiàn)有理論，實驗中的一些觀察和理論上的瑣碎差距表明并非如此。

一個是電子的路徑在遇到磁場時會彎曲，就好像它本身就是一個微小的磁鐵一樣。這本身并不是一件令人震驚的事情——畢竟，移動的電荷會產(chǎn)生磁場。

但是當(dāng)兩位德國科學(xué)家名叫奧托·斯特恩和瓦爾特·格拉赫時測量此字段在1920年代早期圍繞銀原子核運行的電子中，他們發(fā)現(xiàn)這些數(shù)字并沒有加起來。電子也必須在原地移動才能有意義——它們必須旋轉(zhuǎn)。

奇怪的是，結(jié)果暗示這種旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生非常特定方向的小磁場，相對于外部磁場嚴(yán)格指向直上或直下。它們從來沒有隨機(jī)傾斜過。

與此同時，一位理論家名叫沃爾夫?qū)づ堇?/a>他正在研究一個原理，有助于解釋為什么一些粒子（如原子核中的電子和粒子）在占據(jù)相同空間時不能彼此重疊，而其他粒子（如光子）可以。

他的“不相容原理”需要一組四個量子數(shù)。有人描述了粒子的能量。另外兩個與角動量有關(guān)。但第四個似乎與任何明顯無關(guān)。

一位名叫塞繆爾·古德斯密特（Samuel Goudsmit）的年輕荷蘭出生的美國科學(xué)家會很快提供答案.對磁場中譜線的公式應(yīng)用新的解釋，稱為雙峰，他無意中發(fā)現(xiàn)了電子運動的證據(jù)，這種運動看起來像自旋一樣不可思議。并不是說他一開始看到它 - 它花了許多長時間的對話另一位年輕的荷蘭裔美國物理學(xué)家喬治·烏倫貝克（George Uhlenbeck）明確表示。

“但你不明白這意味著什么嗎？這意味著電子有第四個自由度，“Uhlenbeck著名的回應(yīng)。

“這意味著電子有一個自旋，它旋轉(zhuǎn)。

雖然他們不是第一個考慮概念，對話以及這些理論和實驗的結(jié)果，為電子 - 以及其他基本粒子 - 旋轉(zhuǎn)提供了一個明確的案例。

但是，在量子力學(xué)的兔子洞里，沒有什么能如此簡單。

為什么電子不能旋轉(zhuǎn)？

即使自旋一詞被用來描述電子的奇怪磁性和光的奇怪特性，也存在一些問題。

如果我們假設(shè)電子真的是微小的球體，那么它們必須旋轉(zhuǎn)以匹配實驗結(jié)果的速度將意味著它們的表面必須旋轉(zhuǎn)。快十倍比光速。

當(dāng)然，現(xiàn)在人們認(rèn)為電子沒有表面。但是，知道基本粒子是場中的點并不能使它更加直觀。一個零維的點首先是如何轉(zhuǎn)動的？

更令人困惑的是斯特恩和格拉赫進(jìn)行的實驗，這些實驗只指向兩個絕對方向。粒子微小磁鐵的明顯“完全向上”與“完全向下”方向不容易用旋轉(zhuǎn)的3D物體來解釋，它可以向這個方向傾斜一點，向那個方向傾斜一點，或者加速和減速。

換句話說，在電子中發(fā)生的那種自旋在我們的陀螺、籃球和行星世界中沒有等價物。

它可能會產(chǎn)生類似的后果，使粒子彎曲得很像它們具有固有的角動量，并將它們變成一種奇怪的條形磁鐵。但無論“自旋”是什么，它都是融入我們宇宙結(jié)構(gòu)的基本屬性。

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