粒子物理學中的自旋是什麼意思

作者：由匿名使用者發表于收藏
2021-09-17

是嘛10 2019-04-23

自旋，即是由粒子內稟角動量引起的內稟運動。在量子力學中，自旋（英語：Spin）是粒子所具有的內稟性質，其運算規則類似於經典力學的角動量，並因此產生一個磁場。雖然有時會與經典力學中的自轉（例如行星公轉時同時進行的自轉）相類比，但實際上本質是迥異的。

經典概念中的自轉，是物體對於其質心的旋轉，比如地球每日的自轉是順著一個透過地心的極軸所作的轉動。自旋是微觀粒子的一種性質。自旋為半整數的費米子都服從泡利不相容原理，而玻色子都不遵從泡利原理。

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基本粒子，對於像光子、電子、各種夸克這樣的基本粒子，理論和實驗研究都已經發現它們所具有的自旋無法解釋為它們所包含的更小單元圍繞質心的自轉。由於這些不可再分的基本粒子可以認為是真正的點粒子，因此自旋與質量、電量一樣，是基本粒子的內稟性質。

對於像質子、中子及原子核這樣的亞原子粒子，自旋通常是指總的角動量，即亞原子粒子的自旋角動量和軌道角動量的總和。亞原子粒子的自旋與其它角動量都遵循同樣的量子化條件。

參考資料來源：

百度百科——自旋

網友8717945 推薦於2017-11-22

樓上說的粒子的自旋即為粒子的“轉動”是嚴重錯誤的！所謂的粒子自旋並不是指粒子會像地球一樣的那種旋轉，要知道一個幾乎不可分割基本粒子例如電子這類粒子，你能想象他能像地球一樣自轉？？不可能的，在大多數人眼中的基本粒子就是一個縮小無數倍的“小球”這種觀念是錯的。

“旋轉”是一個常見的動作，這個動作容易實現，也容易被感知，但是當旋轉進入到微觀領域，一個微觀粒子旋轉起來，又會出現什麼效果？這就和很多其他的微觀現象一樣，要受到量子力學的支配，從而變得令人捉摸不透。一個不停旋轉的微觀粒子對於物理定律和宏觀世界有何影響？物理學家們現在仍然在研究這些問題。

對於旋轉最直觀的理解可能就是地球圍繞著太陽運動，同時，這個近似於圓球形狀的行星還在進行自轉。無論是地球的公轉和自轉，都隨時影響著地球上的生命而很容易被人類感知和理解。正因為如此，在一個世紀以前，當物理學家首次探明原子的內部結構，發現了外圍的電子和原子核的存在，當時以盧瑟福為代表的很多物理學家都以各大行星圍繞太陽進行公轉來類比原子內部電子圍繞原子核運動的方式。在這個原子模型中，原子核居中，電子有固定的軌道，沿著一個橢圓形軌道運轉，儼然就是一個微型的太陽系。

這種略顯粗糙的類比方式很快因為量子力學的發展而顯得不再合適。這些亞原子粒子，並不是簡單地被縮小了無數倍的“小球”，它們具有奇異的量子性質。而此時再去思考微觀粒子自身的旋轉——“自旋”，就會帶給人們更多的迷惑——如果這種現象不能與宏觀世界中行星的自轉相類比，那麼粒子自旋的本質是什麼，這種永不停歇的運動又是源自何處？近百年來，物理學家始終在探索粒子自旋的奧秘。

1922年，漢堡大學的物理學家奧托·斯特恩（Otto Stern）和沃爾特·蓋拉赫（Walther Gerlach）在法蘭克福進行了一系列經典的在後來被稱為斯特恩-蓋拉赫實驗的測量實驗，他們讓一束粒子透過非均勻的磁場，觀察它們的偏斜，卻驚奇發現了這束粒子分裂為兩束，這說明這些粒子自身帶有不同的量子化的角動量，而且這些粒子似乎在永不停歇地旋轉。在幾年後，荷蘭裔美國物理學家喬治·烏倫貝克（George Uhlenbeck）和薩穆埃爾·古德史密斯（Samuel Goudsmit）共同提出了電子自旋的假設，才解釋了這個實驗現象。現在，無論是量子理論還是化學研究，電子自旋都處於最基礎的地位，電子自旋的概念已經成為物理學和化學研究的基礎。

並不是只有電子才具有自旋，微觀粒子都具有量子化的自旋，其中費米子（Fermions）具有分數倍普朗克常數的自旋，而玻色子（Bosons）則具有整數倍普朗克常數的自旋。質子作為一種費米子，與電子一樣，也具有1/2普朗克常數的自旋，質子的自旋與它所攜帶的電量和它的質量一樣，已經成為它自身的屬性之一。這些年來，物理學家們一直在追問，這種永不停歇的自旋到底從何而來？

質子具有內部結構，它是由三個夸克粒子組成，而這些夸克粒子之間由膠子傳遞的強相互作用維繫在一起。因為夸克粒子自身也具有1/2的自旋，因此，物理學家們一開始懷疑，質子的自旋正是來自這三個夸克粒子，其中兩個夸克粒子的自旋量相互抵消，這樣，剩下一個夸克粒子的自旋外在也就表現為整個質子的自旋。但是這種理想化的猜測隨後被證明不大可能，在1987年進行的一次實驗中，物理學家們測量夸克粒子的自旋量在整個質子的自旋中所佔的比例，結果顯示，夸克自旋為質子自旋所貢獻的自旋量只有25%，也就是說還有很大一部分的質子自旋找不到來源。這迫使物理學家們把目光轉向質子中的維繫夸克粒子聚合在一起的膠子上。膠子是一種玻色子，它具有整數的自旋，很有可能來自這些粒子的自旋是質子自旋的來源之一。