量子力学量子力学核心概念之“自旋和离散性”，至今没有被完全理解物理学家

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量子力学中，让初学者最困惑的或许是自旋（spin）。当一个人听到 \"自旋 \"这个词时，他可能想到的是一个陀螺围绕着它的轴线旋转，或者地球围绕着它的轴线旋转。但是，与主观印象不同，量子力学的自旋不是关于旋转力学的。根据维基百科的说法：

自旋是基本粒子、复合粒子（强子）和原子核所携带的角动量的一种内在形式。

那么，这意味着什么呢？要回答这个问题，最好先看看为什么电子有自旋？这要追溯到20世纪初。物理学家们观察到，在量子系统中，缺少一些“东西” 。那么，它们所说的“东西”是什么意思，或者是什么？

当观察到的多电子原子光谱（原子的电子所吸收的辐射波长）与当时科学家所认为的其原子光谱进行比较时，出现了小的偏差。虽然这些偏差很小，但这反映了一件事：原子模型还不完全准确。
根据经典电动力学，任何带电粒子在加速时都会在其周围产生一个磁场；我们知道，电子是带电粒子。物理学家们被一个实验的结果所震惊，在这个实验中发现，电子本身就像微小的磁铁。
当物理学家观测到原子相互作用的角动量时，他们发现角动量守恒定律并不成立！当时的物理学家认为这是自然界的一个基本定律，在量子系统中也不可能被打破。

从这些结果中得出的是量子自旋的想法。物理学家宣称，该定律没有被打破，相反，偏差的出现是因为电子本身具有内在的角动量，像在它的内部。但这并不意味着电子在旋转。这个角动量是自旋的一个固有属性，不容置疑。我们需要消化这个事实，就消化电子拥有质量，或者电子拥有电荷的事实一样！我们需要消化这个事实。
第二点中提到的实验就是所谓的斯特恩-格拉赫实验（Stern-Gerlach Experiment）。在这个实验中，电子路径的偏转测量了电子的固有角动量。该实验表明，自旋/内在角动量是 \"量化 \"的，也就是说，它是一个特定数字的倍数。它不能是任意值。换句话说，它是\"离散的\"！。而且，由于20世纪初物理学家对经典电动力学的广泛共识，人们假设电子也会因为前面提到的原因而'旋转' ，这个概念现在已经被否定了，但名字被保留了下来，这就是'自旋'这个名字的由来。

斯特恩-格拉赫实验。标注为N和S的是两块磁铁，在它们之间形成一个均匀的磁场。 2 ，代表电子束。 4和5代表实验的结果（电子在磁场中的偏转），分别是有测量和无测量。请注意，在5（没有事先测量）中，电子只存在于两个地方，它们不在也不可能在这两个点之间。这证明了自旋是一个量化的量子数。

不要自我怀疑，你不是唯一一个难以消化这一事实的人。你和维尔纳-海森堡（Werner Heisenberg）和保罗-狄拉克（Paul Dirac）一样。事实上，物理学家认为，也许将自旋定义为粒子的空间定向（spatial orientation）会更好。
我们稍后将重新讨论这个问题，但首先，自旋的引入是如何影响原子光谱的？如果你将自旋与经典角动量联系起来，那么你可能会得出这样的观点：这种观点需要我们将某种能量与电子联系起来。为什么？因为如果它有一个角动量，那么就会有一个相关的扭矩。如果有扭矩，就会做一些功，如果做了功，那就意味着该系统拥有能量（因为能量就是做功的能力）！通过对氢谱线的精确描述，实验证明了这一点。这两个结果，氢谱线观察和斯特恩-格拉赫实验解释（并证明）自旋是 \"基本粒子所携带的角动量的内在形式\" 。
自旋和空间定向角动量如何影响粒子的空间定向的？通过大量的数学知识（群论和表示论），可以证明一个粒子的内在角动量会影响其空间定向。为什么？我喜欢以这种方式思考。毕竟，如果某样东西被称为角动量，它将在物体中产生转动效应。只是有一个转动，即这种动量是内在的而不是外在的。所以，如果一个外在的角动量可以改变一个物体的旋转力学，那么它的内在角动量就会改变空间定向。