微观粒子为何都在不停地自旋？不自旋不行吗？

在微观世界，微观粒子宛如一群不知疲倦的舞者，永不停歇地进行着自旋运动。

但是，微观粒子为何要自旋呢？不自旋难道不行吗？

实际上，自旋堪称微观粒子所独有的一种 “超能力”。

至于其具体成因，科学界至今仍未完全明晰。然而，我们目前已经确切知晓，众多物理属性都与自旋紧密相连，例如能量，还有磁性，它们之间的关系犹如一张错综复杂的大网，相互交织，相互影响。

回溯到 1925 年，就有人形象地将每一个基本粒子比喻成一个 “旋转的陀螺”。

这一比喻固然生动，能让我们在脑海中构建起基本粒子运动的大致画面，但倘若仅仅停留在字面意义去理解，就很容易陷入误区。毕竟宏观物质的旋转具有较为明确的特征，一般不是逆时针旋转，就是顺时针旋转，并且以 360 度为完整的一周。

然而，微观粒子的自旋作为一种独特的量子效应，绝不能如此简单地加以判断。微观粒子的自旋展现出令人惊叹的特性，它仿佛拥有超越常规的 “魔力”，可以同时既逆时针旋转又顺时针旋转，其旋转一周的角度也并非固定为 360 度，有可能是 180 度，甚至是 720 度。

此外，基本粒子不仅会自旋，而且它们的旋转速度快得超乎想象。这就好比一位技艺精湛的冰上芭蕾舞演员，当她在冰面上翩翩起舞，身体收缩得越紧密，旋转的速度就愈发迅疾。为了精准地描述这种独特的特性，物理学引入了一个专业术语 —— 角动量。

角动量与我们熟悉的线性动量类似，都能够用来描述一个物体的能量状态。

简单来讲，一个物体的动量越大，想要改变其运动状态就越发困难，同时这也预示着它蕴含的能量越大。角动量主要针对旋转的物体而言，与线性动量有所区别。

因为物体的旋转方式丰富多样，既可以绕自身的轴进行旋转，就像地球绕着地轴自转；也可以绕着一个外部远距离的轴进行旋转，恰似月亮围绕地球公转。对于微粒子的角动量，我们可以简单地理解为以其自身轴心为中心的旋转（当然，这仅仅是一种便于理解的比喻，实际上它描述的是空间旋转的对称性）。而且，角动量具有特定的值。

在我们所熟知的粒子家族中，质子、电子等粒子都拥有内禀角动量。其最小值为普朗克常数 h 除以 2π（这里 h = 6.62607015×10^（ - 34） J・s，圆周率 π = 3.14）。

具体而言，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，它们的内禀角动量则都是 h/2π 的 1/2，或者是其奇数倍。由于 2π 是一个确定的数值，所以 h/2π 便成为了角动量的量度标准，而普朗克常数 h 自然而然地就成为了角动量的单位。从这个角度来看，角动量本身就象征着一种能量，它是微观粒子能量状态的重要表征。

普朗克常数 h 最初的诞生，是为了解释热辐射的光谱能量曲线。然而，随着科学研究的不断深入，它却逐渐演变成了一个具有深远影响的宇宙基础常数。可以毫不夸张地说，正是由于普朗克常数 h 足够小，我们所处的宇宙才得以保持如此稳定的状态。不妨设想一下，如果这个常数的值再大一点，或许我们原本看似稳定、规律的宏观世界，也会如同微观世界一般，呈现出各种奇异、超乎想象的量子现象。

正因如此，对于那些思维活跃、脑洞大开的科幻迷而言，若想在宏观世界中展现出微观世界才可能出现的运动状态，从理论上来说，似乎只要能够将普朗克常数变大即可。但在现实世界的物理规则框架下，这无疑是天方夜谭。因为作为一个常数，其最根本的特质就是必须保持恒定不变，它如同宇宙运行的基石，一旦发生改变，整个宇宙的秩序都将陷入混乱。

早在 19 世纪 20 年代，人们就敏锐地察觉到移动的电荷能够产生电流，而电流又会进一步产生磁场。一个形象的例子就是，当一个带电的小球围绕着一条穿过其圆心的轴进行旋转时，就能产生电流，进而激发出磁场。早期内禀角动量理论的提出，实际上正是为了解释在实验室中观察到的原子具有内磁场这一奇特现象。也就是说，科学家们是先捕捉到了磁场的存在，然后才提出基本粒子具有内禀角动量这一概念。

1932 年，奥托・斯托恩和瓦尔特・格拉赫在实验室里展开了一场具有里程碑意义的实验。他们精心测试了原子束与外部磁场的相互作用关系，在这个过程中，意外地发现了原子竟然具有内在磁场。随后，研究进一步深入，科学家们又发现电子同样拥有内部磁场，并且这个磁场呈现出两个特定的数值，就好像电子同时具备了南北两极一样。

这一发现为解释诸多现象提供了关键线索。例如，它能够合理地说明为什么一些元素能够吸收光或者反射光。原因就在于原子内部存在的磁场，能够与本质上属于电磁波的光发生各种复杂而奇妙的交互作用。

起初，人们理所当然地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所导致的。但随着科学实验技术的不断进步，一系列更为严谨、精确的实验相继展开。这些实验结果无情地推翻了先前的认知，确凿地证明了这个磁场与电子围绕原子核旋转毫无关联，其真正的根源在于电子自身的特性。

至此，科学界逐渐达成共识，普遍认为电子的内在磁场与它们的自旋存在着紧密的联系。但在当时，人们对于电子运动的认知还停留在经典物理的范畴之内。在这种传统认知的前提下，如果电子要形成测量到的内在磁场大小，根据经典物理的计算方式，它的自转速度必须超过光速。然而，这显然与爱因斯坦的质能方程 E = mc² 相悖。因为按照质能方程进行计算，若电子自转速度超光速，其质量将会大于质子的质量，这在现实中是完全不合理且无法成立的。

直到 1928 年，保罗・狄拉克横空出世，为这个谜团的解开带来了曙光。狄拉克全面而深入地考量了电子高速运动的本质，巧妙地将描述高速运动的狭义相对论与薛定谔的波函数有机地结合起来，凭借其卓越的智慧和非凡的创造力，开创性地提出了能够精准描述电子运动状态的狄拉克方程。

在求解狄拉克方程的过程中，人们惊喜地发现电子存在一个额外的 “量子数”，而这个 “量子数” 恰好对应着（1/2）h/2π 的内禀角动量。这个独特的 “量子数” 代表了电子的一种内禀属性，就如同电子所携带的电荷以及其自身的质量一样，是电子不可或缺的固有特征。而且，深入了解基本粒子的内禀角动量，对于理解元素周期表的奥秘、化学反应的本质以及固态物理学的诸多现象都具有核心关键的作用。

也正因如此，狄拉克曾大胆断言，在量子力学的强大理论体系面前，化学已经不再是一门纯粹独立的基础科学，而是成为了量子力学的 “应用科学”。因为化学反应的一切变化过程，都能够在量子力学的理论框架中找到最终、最根本的解释。

综上所述，基本粒子的自旋与物质的各种基础性质之间存在着千丝万缕、密不可分的联系。可以毫不夸张地说，如果没有自旋，那么电磁力与能量或许都将不复存在。难以想象，倘若我们的世界失去了电磁力与能量，将会陷入怎样一片混乱与死寂的状态。从宏观的宇宙天体运行，到微观的生命活动基础，电磁力与能量无处不在，它们是维持世界正常运转的关键要素。