我们不一样
Paul Sutter
中科院物理所
2017-12-26 11:47:22
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科学无国界
我们是知识的搬运工
福利时间今天我们将送出三本由图灵新知提供的优质科普书籍《黑洞与暗能量--宇宙的命运交响》。
本书围绕黑洞与暗能量两大主题，详细阐述了恒星、黑洞等宇宙天体诞生、演变与陨灭的精彩历程，揭示了黑洞与暗能量的真实面貌，在围绕人类揭秘宇宙的恢弘人文与历史背景中，讲述探索宇宙的物理与天文知识。如何才能得到这本《黑洞与暗能量--宇宙的命运交响》呢？参与的方式非常简单！只要你认真阅读下面的这篇文章，思考文末提出的问题，严格按照［互动：你的答案］的格式在评论区留言，就有机会获得奖品！
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作者：Paul Sutter
翻译：螳吉呵呵
审校：yangfz你也许会认为想要完整地描述电子只需要质量和电荷量两个属性。因为这两个参数足以描述大量的电磁现象。但是科学家会告诉你，想要完整的描述电子，只引入质量和电荷量是远远不够的，我们需要更加复杂的描述方法。
1922年Otto Stern（斯特恩）和Walther Gerlach（盖拉赫）所做的实验清楚地证明了这一点。在这个实验中，他们让银原子穿过空间不均匀的磁场区并观测到一些用当时的理论不能解释的现象。实验中使用的是中性的银原子。如果你在完全不了解量子力学的情况下做这个实验，你会预测到两种可能出现的实验结果。
第一个可能的结果是，原子的电中性导致原子不会和磁场发生任何相互作用。
因此，银原子会沿直线直接穿过磁场就像没有磁场存在一样。另外一个结果是，如果银原子并不只是包含电荷和质量的点粒子，它内部的组成部分由于自身的运动形成了角动量。那么角动量会和外加磁场发生相互作用，这导致原子会受到力矩的作用，这可以按照经典电磁学理论来理解。由于每一个原子会在一个随机的方向上感受到一个随机的力矩，所以电磁相互作用会把这些原子均匀地洒在接收屏上。
让斯特恩和盖拉赫震惊的是，他们得到的结果和两种预测都不一样！
这两位德国科学家在接收屏上得到了两个相互分离的由银原子堆积形成的斑点。而不是之前预测的银原子沿直线穿过磁场形成一个斑点也不是原子均匀的分布在接收屏上。实验结果表明，银原子在运动中被磁场分成了两部分，一部分在运动过程中向上偏折，另一部分向下偏折。
这项实验证明了在亚原子尺度存在完全不同于经典物理的物理规律，它也是支持此结论的最早几项实验之一。在亚原子尺度下，量子效应完全显现出来。科学家们不久就意识到组成原子的粒子包含一个之前从未被发现的只有在磁场存在时在才会显示出来的属性。
因为原子表现的好像一个旋转的带电金属球，所以电子的这个新属性被称为“自旋”。描述电子等粒子的属性从电荷、质量变成了电荷、质量加上自旋。
就像研究质量和电荷量一样，我们同样可以利用实验来研究自旋的性质以及它如何与其他的场和粒子相互作用。进一步的实验表明自旋包含很多非常奇异的性质。举例来说，一个确定的粒子的自旋是固定的。按照定义，电子的自旋是1/2，其他粒子的自旋也可以是1、3/2甚至是0。并且，一个粒子的自旋决定了在特定方向上我们实际可以测到的自旋角动量的值。
例如，测量自旋为1/2的粒子，如电子，我们只能得到1/2和-1/2两种结果，分别对应Stern-Gerlach实验中向上和向下偏折的电子。对于自旋为1的粒子，测量结果是+1，0，-1。这些离散化的结果看起来很荒谬，也许你应该去责怪那些一百年前提出自旋概念的人。自旋和狭义相对论量子力学从根本上限制了我们在微观尺度下进行精确测量的能力。
在做了大量的实验之后，自旋所遵循的规律才被物理学家获得并引入已有的量子物理中。但这实际上并不是一个自然而然的过程。因为量子物理中的基本方程——著名的Schrodinger equation（薛定谔方程）中并没有先验的包含自旋。
问题源于Erwin Schrodinger（薛定谔）为了揭示自旋这一量子属性的全部奥秘时所进行的尝试。
在20世纪20年代早期，爱因斯坦的狭义相对论已经被物理界的同仁所熟知，物理学家都知道物理学的任何定理都要和狭义相对论相容才行。但是当薛定谔写下看起来可以和狭义相对论相容的薛定谔方程时，他并不能理解它，所以薛定谔就放弃这个结果。虽然薛定谔方程在解释微观尺度的现象时显示出了不可思议的有效性，但薛定谔的量子力学框架并不能自然地包含自旋，自旋在其中只是人为添加的参数。
在大概相同的时间，理论物理学家Paul Adrien Maurice Dirac（狄拉克）也在苦苦思索将量子力学和狭义相对论结合起来的办法。和他的好友薛定谔不同的是，他窥探出其中的数学奥秘并理解了背后的含义。其中一个隐含在相对论性量子力学背后的属性就是自旋。狄拉克的相对论性量子力学自动包含了自旋。如果他在斯特恩盖拉赫实验之前得到他的方程，那么他就可以预言他们的实验结果。
虽然我们最早是通过实验发现的自旋，但是狄拉克告诉我们要想真正的理解粒子的这一奇怪属性我们必须要同时接受相对论的和量子的观点。我们必须抛弃亚原子粒子是一个微小的旋转着的带电小球的图像。实际上它们的行为要比那复杂得多。我们无法在经典物理的框架下描述自旋。但是自旋是我们宇宙的一个基本属性，它只在量子力学和狭义相对论的交叉点上显现出来。我们只能通过狄拉克方程才能研究自旋的性质。
所以要想真正的理解自旋，我们必须研究狄拉克方程。而当你问起什么是自旋？我们也只能无可奈何地指向狄拉克方程的数学。
原文链接：https://www.space.com/39152-weird-quantum-property-of-spin.html
互动问题【互动问题：当电子穿过磁场时，它在想什么？】
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编辑：yangfz
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