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”。

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。

角动量与线性动量一样，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。

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·斯托恩和瓦尔特·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。

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。