量子力學科普:電子自旋,一種在宏觀世界無法理解的特殊運動

2021-01-14 中涵機

量子力學科普：電子自旋，一種在宏觀世界無法理解的特殊運動


相信喜歡量子力學的讀者一定聽說過這樣一個名詞：自旋，的確，每一個微觀粒子都存在自旋這種現象，但微觀粒子的自旋行為又與宏觀物體的自旋行為截然不同，在宏觀世界又找不到相同的現象作為參考，所以微觀粒子的自旋是很難理解的，而在網際網路上關於粒子自旋介紹的更是少之又少，往往都是簡單介紹一下定義與公式，這篇文章以電子自旋為例，和大家一起聊一聊在微觀世界中，自旋究竟是一種什麼樣的行為。


自旋，量子力學對自旋的定義是：由粒子內稟角動量引起的內稟運動，好吧，我相信大多數人看了這個定義之後還是無法理解自旋是什麼，由粒子內稟角動量引起的內稟運動，這個解釋實在是太抽象，角動量是什麼？我們可以通俗的將角動量理解為一個描述物質旋轉的物理量，角動量等於質量×半徑平方×角速度，微觀粒子的旋轉可以分為兩種，第一種是自旋角動量，第二種是軌道角動量，如果是質子、中子、原子核這種複合粒子，那麼複合粒子的自旋就等於自旋角度量與軌道角動量之和。


下面來講一講自旋，從字面上來理解，就是代表這物體沿軸做自我旋轉，例如：地球沿著地軸做自轉，這裡以電子為例，如果將宏觀物質的自轉概念直接套用到帶電子身上，那麼電子自旋也就是電子沿著電子中心軸進行自轉，可問題來了：電子是一種不可再分的點粒子，點粒子有點類似於物理中質點的概念，點粒子是沒有體積的，那麼一個不存在體積的電子如何沿著中心軸自轉呢？因為不存在體積，就根本不會存在中心軸的概念，所以將宏觀物體自轉的概念直接套用到電子身上是根本解釋不通的。


早在1925年，著名物理學家泡利手下的兩個助手就結合實驗現象提出了電子存在自旋的行為，結果被泡利大罵了一頓，因為如果將電子的自旋理解成宏觀物體的自轉，那麼電子表面的速度就要超越光速，這顯然違背了相對論中光速最快的定論（如果當時泡利沒有大罵這兩個助手，而是認真的分析、總結，可能泡利就是第一個提出自旋行為的物理學家，那麼泡利將會提前20年獲得諾貝爾物理學獎）。

既然電子的自旋並不是宏觀物質的自轉，那麼我們應該如何理解電子自旋呢？


其實電子的自旋是一個很抽象的概念，因為我們無法在宏觀世界中去找一個類似的現象來理解自旋，但種種的實驗現象例如電子具有磁場等又表明電子的確存在著自旋這種行為，所以物理學家只能稱自旋是粒子的一種內稟屬性，什麼叫內稟屬性呢？也就是說：電子生下來就具有這種特質，就像電子生下來就具有電荷、質量等物理量一樣，自旋與電荷、質量一樣，都是用於描述電子的物理量，但如果要是問：電子這種奇怪的自旋運動究竟是怎麼產生的？它的運作原理是什麼？那麼對不起，不知道，如果你問物理學家電子自旋是如何產生的？得到的答案也一定是：不知道，也不需要去刻意的在意它，乖乖計算就好。

其實，不單單是自旋在宏觀世界找不到參考的對象，粒子身上出現的太多量子效應都在宏觀世界找不到參考的對象，例如：不確定性、量子糾纏、量子隧穿、量子相變等等。


除了粒子自旋與宏觀世界的物質自轉行為不同之外，兩者的表達方式也完全不同，宏觀物質的自旋角動量可以去任意值，但微觀粒子的自旋角動量只能是量子化的，也就說：粒子自旋也只能取某個特定值的整數倍，自旋數為整數（0、1、2）的粒子被稱為玻色子，例如：光子，自旋為半整數（1/2、3/2）的粒子被稱為費米子，例如：電子、夸克。

光子的自旋數為1，所以光子需要旋轉360度才會和原來一樣，電子的自旋是1/2，所以電子需要旋轉2圈才會和原來一樣。


總結一下：粒子自旋就是粒子與生俱來的一種屬性，就像人生下來會吃飯一樣，粒子誕生時就擁有自旋，但由於宏觀世界找不到和粒子自旋類似的現象，所以我們很難通俗、形象的去理解自旋。

來源：量子奧秘

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