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为何微观粒子都在自旋?假如不自旋会发生怎么样?

自旋,是微观粒子的一种“超能力”。

对它的具体成因,我们其实并不是很清楚,但目前已知的很多物理属性都与自旋密切相关,比如能量,比如磁性。

自旋与角动量

早在1925年,有人就提出每一个基本粒子就像一个“旋转的陀螺”。

为何微观粒子都在自旋?假如不自旋会发生怎么样?

这种描述虽然形象,但是如果你只是停留在字面上的理解,难免会有误差。因为宏观物质的旋转,一般不是逆时针就是顺时针,而且360度为一周,而微观粒子自旋作为一种量子效应,不能简单地如此来判断。简单来说,它可以同时既逆又顺,可以是180度,也可以说720度为一周。

另外,基本粒子不仅会自旋,而且它们的旋转速度还相当的快,就相当于一个冰上芭蕾舞演员,当她旋转的时候,身体收缩地越紧,转速就越快。

为了描述这种特性,物理学上引入了一个专有名词叫做角动量

角动量线性动量一样,可以描述一个物体的能量状态。一个物体动量越大,就越难改变其运动状态,也预示着它的能量越大。

角动量是针对于旋转的线性动量来说的,因为旋转不仅可以绕自身轴进行,还可以绕着一个外部远距离的轴进行,就像月亮围着地球转一样。而微粒子角动量可简单理解为以其轴心而旋转(当然这是个比喻,实际是描述空间旋转的对称性),同时,角动量有特定值。

我们熟悉的质子、电子这些粒子都具有内禀角动量。其最小值为普朗克常数h除以2π(h=6.62607015×10^(-34) J·s;圆周率π=3.14)。

光子的内禀角动量是h/2π,而玻色子的内禀角动量都是h/2π的整数倍;电子、质子、中子这些费米子,内禀角动量都是h/2π的1/2,或其奇数倍。

因为2π是一个数值,所以h/2π作为角动量的量度,普朗克常数h就是角动量的单位。所以说,角动量本身就代表着一种能量。

普朗克常数h的意义

普朗克常数h,本来只是用来解释热辐射的光谱能量曲线,可以现在它却成了一个宇宙基础常数。

也正是由于普朗克常数足够的小,宇宙才会如此稳定。如果这个常数再大一点的话,或许我们的宏观世界,也会表现出微观世界的各种奇异的量子现象。

所以说,对于一些脑洞比较大的科幻迷来说,想要在宏观世界里,呈现一些微观世界才可能出现的运动状态,其实很简单,只要能把普朗克常数变大就行了。

但这在现实世界中,是无法做到的,因为作为一个常数,它的一大基本特质就是必须满足恒定不变。

自旋与磁性。

早在19世纪20年代,人们就意识到了移动的电荷能产生电流,进而产生磁场。一个带电的小球,围绕着一个穿过圆心的轴,旋转的话就能产生电流,进而产生磁场。

为何微观粒子都在自旋?假如不自旋会发生怎么样?

而早期的内禀角动量理论的提出,实际上是为了解释在实验室中观察到的原子具有内磁场的现象。也就是说,我们是先观察到了磁场,再提出了基本粒子具有内禀角动量。

1932年,奥托·斯托恩瓦尔特·格拉赫在实验室里,测试到了原子束与外部磁场的相互作用关系,从此发现了原子具有内在磁场。进而发现电子也具有内部磁场,这个磁场具有两个数值,相当于电子同时包含南北两极一样。

这也能解释,为什么一些元素能够吸收光或者反射光,正因为原子的内部存在着磁场,才能与是电磁波的光发生各种交互关系。

只不过最开始,人们认为这个磁场,是由于带负电的电子围绕带正电的原子核旋转造成的。而后来的一系列更加严谨的实验证明了这个磁场,和电子围绕原子核旋转没有任何关系,而是由于电子自身的原因造成的。

至此,科学界一直认为电子的内在磁场与它们的自旋有关。

但当时的人们,对于电子的运动,还处于经典物理的认知之下。在这种认知前提下,如果电子要形成测量到的内在磁场大小,那它的自转速度必须是超过光速的。

如果是这样,根据爱因斯坦的质能方程:E=mc²,计算的话,电子的质量将会大于质子的质量,这显然是不合理的。

为何微观粒子都在自旋?假如不自旋会发生怎么样?

而真正揭示电子自旋现象本质的人是保罗·狄拉克。

1928年,在全面考虑到电子高速的运动实质后,狄拉克将描述高速运动的狭义相对论与薛定谔的波函数联系了起来,开创性地提出了描述电子运动状态的狄拉克方程。同时也为创建量子电动力学打下了坚实的基础。

在求解狄拉克方程时,人们发现电子有一个额外的“量子数”,其刚好对应着(1/2)h/2π的内禀角动量。这个“量子数”代表了电子的一种内禀属性,类似于它的电荷和质量一样。

而且了解基本粒子的内禀角动量,是理解元素周期表,化学反应以及固态物理学的核心关键。

也正因为如此,狄拉克曾说,在量子力学面前,化学已经不在是一门基础科学,而是量子力学的“应用科学”,化学反应的一切变化过程都能在量子力学里,找到最终的解释。

总结

总的来说,基本粒子的自旋与物质的各种基础性质都有莫大的关系,如果没有自旋,也就意味着没有电磁力与能量。你可以想象一下,我们的世界没有电磁力与能量,会是什么后果。

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