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电子真的可以自旋吗?
对大多数人来说，把原子描绘成微型太阳系的模式都是我们进入粒子物理世界的启蒙。然而不幸的是，这些标志性的图像在错误方面多于正确方面。
电子并不像是围绕原子核这个不规则“太阳”旋转的微小“行星”。实际上，它们甚至可能都不是微小的球体，而更像是空间中没有宽度、高度或深度的针眼。
作为一个没有宽度的物体，电子根本没有可以旋转的部分。
那么，当物理学家描述粒子的“自旋”时，他们到底在指什么?
我们为何会认为电子可以自旋?
在量子力学初期，一些物理学家思考过电子等粒子是否真的可以自旋这一问题。尽管这个想法与电子行为的现有理论不太吻合，但实验中的某些观察结果和理论中的细微缺陷显示事实可能并非如此。
一个例证是电子在遭遇磁场时，其运动路径会发生偏折，就像电子本身是一个微小的磁铁。这本身并不令人惊讶——移动的电荷确实会产生磁场。
但当两位德国科学家奥托·斯特恩和沃尔特·格拉赫在20世纪20年代早期测量围绕银原子核运动的电子的磁场时，发现数字不吻合。为使结果有意义，电子必须在原地自旋——它们必须具有自旋。
奇怪的是，实验结果暗示这种自旋产生了定向非常特定的微小磁场，严格指向外部磁场的直上或直下，从不会偏离一边或另一边。
与此同时，一位名叫沃尔夫冈·泡利的理论家正在研究一种原理，用来解释某些粒子(如电子和原子核中的粒子)为何不能占据相同空间叠加，而其他粒子(如光子)可以。
他的“排斥原理”需要一组四个量子数来描述。一个表示粒子的能量，两个与角动量有关，但第四个似乎与任何明显的属性无关。
一位叫塞缪尔·高斯密特的出生在荷兰的美国科学家不久后给出了答案。他运用磁场中的光谱双线的新解释，无意中发现了类似电子自旋的运动证据。起初他没有立即看出来，直到与另一位名叫乔治·乌伦贝克的荷兰裔美国物理学家进行多次长时间讨论后才弄明白。
“但你没有看到这意味着什么吗?这意味着电子有第四种自由度，”乌伦贝克当时著名地回应道。
“这意味着电子具有自旋，它在旋转。”
虽然他们不是第一个考虑这个概念的人，但这次讨论以及类似的理论和实验证据，明确提出了电子及其他基本粒子可以旋转这一情况。
但是，在量子力学的奇异世界里，没有什么可以如此简单。
为何电子无法旋转?
即使“自旋”这个词正在被用来描述电子的奇异磁性和光的奇特属性，问题仍然存在。
假设电子真的是微小的球体，为匹配实验结果，它们必须加速到光速的十倍之快旋转。
当然，现在认为电子根本没有表面。知道基本粒子是场中的一点也并不能让概念更直观。这个零维点如何首先旋转呢?
更令人困惑的是斯特恩和格拉赫进行的实验，其中粒子的微小磁铁只指向绝对的两个方向。粒子“完全向上”与“完全向下”的取向很难用一个旋转的三维物体来解释，后者可以稍稍偏离这边或那边，或者加速和减速。
换句话说，发生在电子中的自旋没有现实世界中的陀螺、篮球或行星的等价形式。
它可能有类似的后果，使粒子发生弯曲，就像具有内在的角动量，并将它们转变为一种奇异的磁铁。但无论“自旋”究竟为何，它都是构成我们宇宙的基本属性之一。
本文译自 ScienceAlert，由 BALI 编辑发布。