自旋，是微觀粒子的一種“超能力”。

對(duì)它的具體成因，我們其實(shí)并不是很清楚，但目前已知的很多物理屬性都與自旋密切相關(guān)，比如能量，比如磁性。

自旋與角動(dòng)量

早在1925年，有人就提出每一個(gè)基本粒子就像一個(gè)“旋轉(zhuǎn)的陀螺”。

這種描述雖然形象，但是如果你只是停留在字面上的理解，難免會(huì)有誤差。因?yàn)楹暧^物質(zhì)的旋轉(zhuǎn)，一般不是逆時(shí)針就是順時(shí)針，而且360度為一周，而微觀粒子自旋作為一種量子效應(yīng)，不能簡(jiǎn)單地如此來(lái)判斷。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它可以同時(shí)既逆又順，可以是180度，也可以說(shuō)720度為一周。

另外，基本粒子不僅會(huì)自旋，而且它們的旋轉(zhuǎn)速度還相當(dāng)?shù)目?，就相?dāng)于一個(gè)冰上芭蕾舞演員，當(dāng)她旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，身體收縮地越緊，轉(zhuǎn)速就越快。

為了描述這種特性，物理學(xué)上引入了一個(gè)專有名詞叫做角動(dòng)量。

角動(dòng)量與線性動(dòng)量一樣，可以描述一個(gè)物體的能量狀態(tài)。一個(gè)物體動(dòng)量越大，就越難改變其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，也預(yù)示著它的能量越大。

角動(dòng)量是針對(duì)于旋轉(zhuǎn)的線性動(dòng)量來(lái)說(shuō)的，因?yàn)樾D(zhuǎn)不僅可以繞自身軸進(jìn)行，還可以繞著一個(gè)外部遠(yuǎn)距離的軸進(jìn)行，就像月亮圍著地球轉(zhuǎn)一樣。而角動(dòng)量必須是以物體的內(nèi)部中軸而旋轉(zhuǎn)，同時(shí)，角動(dòng)量有特定值。

我們熟悉的質(zhì)子、電子這些粒子都具有內(nèi)稟角動(dòng)量。其最小值為普朗克常數(shù)h除以2π（h=6.62607015×10^（-34） J·s；圓周率π=3.14）。

光子的內(nèi)稟角動(dòng)量是h/2π，而玻色子的內(nèi)稟角動(dòng)量都是h/2π的整數(shù)倍；電子、質(zhì)子、中子這些費(fèi)米子，內(nèi)稟角動(dòng)量都是h/2π的1/2，或其奇數(shù)倍。

因?yàn)?π是一個(gè)數(shù)值，所以h/2π作為角動(dòng)量的量度，普朗克常數(shù)h就是角動(dòng)量的單位。所以說(shuō)，角動(dòng)量本身就代表著一種能量。

普朗克常數(shù)h的意義

普朗克常數(shù)h，本來(lái)只是用來(lái)解釋熱輻射的光譜能量曲線，可以現(xiàn)在它卻成了一個(gè)宇宙基礎(chǔ)常數(shù)。

也正是由于普朗克常數(shù)足夠的小，宇宙才會(huì)如此穩(wěn)定。如果這個(gè)常數(shù)再大一點(diǎn)的話，或許我們的宏觀世界，也會(huì)表現(xiàn)出微觀世界的各種奇異的量子現(xiàn)象。

所以說(shuō)，對(duì)于一些腦洞比較大的科幻迷來(lái)說(shuō)，想要在宏觀世界里，呈現(xiàn)一些微觀世界才可能出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其實(shí)很簡(jiǎn)單，只要能把普朗克常數(shù)變大就行了。

但這在現(xiàn)實(shí)世界中，是無(wú)法做到的，因?yàn)樽鳛橐粋€(gè)常數(shù)，它的一大基本特質(zhì)就是必須滿足恒定不變。

自旋與磁性。

早在19世紀(jì)20年代，人們就意識(shí)到了移動(dòng)的電荷能產(chǎn)生電流，進(jìn)而產(chǎn)生磁場(chǎng)。一個(gè)帶電的小球，圍繞著一個(gè)穿過(guò)圓心的軸，旋轉(zhuǎn)的話就能產(chǎn)生電流，進(jìn)而產(chǎn)生磁場(chǎng)。

而早期的內(nèi)稟角動(dòng)量理論的提出，實(shí)際上是為了解釋在實(shí)驗(yàn)室中觀察到的原子具有內(nèi)磁場(chǎng)的現(xiàn)象。也就是說(shuō)，我們是先觀察到了磁場(chǎng)，再提出了基本粒子具有內(nèi)稟角動(dòng)量。

1932年，奧托·斯托恩和瓦爾特·格拉赫在實(shí)驗(yàn)室里，測(cè)試到了原子束與外部磁場(chǎng)的相互作用關(guān)系，從此發(fā)現(xiàn)了原子具有內(nèi)在磁場(chǎng)。進(jìn)而發(fā)現(xiàn)電子也具有內(nèi)部磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)具有兩個(gè)數(shù)值，相當(dāng)于電子同時(shí)包含南北兩極一樣。

這也能解釋，為什么一些元素能夠吸收光或者反射光，正因?yàn)樵拥膬?nèi)部存在著磁場(chǎng)，才能與是電磁波的光發(fā)生各種交互關(guān)系。

只不過(guò)最開始，人們認(rèn)為這個(gè)磁場(chǎng)，是由于帶負(fù)電的電子圍繞帶正電的原子核旋轉(zhuǎn)造成的。而后來(lái)的一系列更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)證明了這個(gè)磁場(chǎng)，和電子圍繞原子核旋轉(zhuǎn)沒有任何關(guān)系，而是由于電子自身的原因造成的。

至此，科學(xué)界一直認(rèn)為電子的內(nèi)在磁場(chǎng)與它們的自旋有關(guān)。

但當(dāng)時(shí)的人們，對(duì)于電子的運(yùn)動(dòng)，還處于經(jīng)典物理的認(rèn)知之下。在這種認(rèn)知前提下，如果電子要形成測(cè)量到的內(nèi)在磁場(chǎng)大小，那它的自轉(zhuǎn)速度必須是超過(guò)光速的。

如果是這樣，根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程：E=mc2，計(jì)算的話，電子的質(zhì)量將會(huì)大于質(zhì)子的質(zhì)量，這顯然是不合理的。

而真正揭示電子自旋現(xiàn)象本質(zhì)的人是保羅·狄拉克。

1928年，在全面考慮到電子高速的運(yùn)動(dòng)實(shí)質(zhì)后，狄拉克將描述高速運(yùn)動(dòng)的狹義相對(duì)論與薛定諤的波函數(shù)聯(lián)系了起來(lái)，開創(chuàng)性地提出了描述電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的狄拉克方程。同時(shí)也為創(chuàng)建量子電動(dòng)力學(xué)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

在求解狄拉克方程時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)電子有一個(gè)額外的“量子數(shù)”，其剛好對(duì)應(yīng)著（1/2）h/2π的內(nèi)稟角動(dòng)量。這個(gè)“量子數(shù)”代表了電子的一種內(nèi)稟屬性，類似于它的電荷和質(zhì)量一樣。

而且了解基本粒子的內(nèi)稟角動(dòng)量，是理解元素周期表，化學(xué)反應(yīng)以及固態(tài)物理學(xué)的核心關(guān)鍵。

也正因?yàn)槿绱耍依嗽f(shuō)，在量子力學(xué)面前，化學(xué)已經(jīng)不在是一門基礎(chǔ)科學(xué)，而是量子力學(xué)的“應(yīng)用科學(xué)”，化學(xué)反應(yīng)的一切變化過(guò)程都能在量子力學(xué)里，找到最終的解釋。

總結(jié)

總的來(lái)說(shuō)，基本粒子的自旋與物質(zhì)的各種基礎(chǔ)性質(zhì)都有莫大的關(guān)系，如果沒有自旋，也就意味著沒有電磁力與能量。你可以現(xiàn)象一下，我們的世界沒有電磁力與能量，會(huì)是什么后果。