为什么粒子有自旋？ - 洗芝溪 的回答

问题描述

话题:

物理学, 理论物理, 量子场论, 量子力学, 科学, 洗芝溪

回答:

从实验的角度，最早钠黄线以为是一条线，所以提出了相应的泡利不相容原理，即每个状态上只能占一个电子，这样就能解释为什么x光激发时有不同的谱线，而不是所有电子站在同一个能级上向另一个能级激发。

后来发现了钠黄线有精细结构，也就是反常塞曼，在磁场中一个轨道角动量会进一步劈成两条线，虽然两条线的间距很小，但不可忽略。所以当时又给构筑原理打了个补丁，每个能级上可以站两个。为什么？不知道。

再后来就有了自旋的概念。自旋1/2是个双态系统，就能弥补一个状态两个电子的问题，变成了两个状态两个电子。

问题的关键是，为什么自旋的简并性保持比轨道角动量好？不同轨道很容易杂化或成键，从而得以从各种角度加以观测。自旋为何却并不杂化，形成某个自旋键，从而让某个自旋方向更为突出、容易被观测呢？

这就是Kramers简并定理了。对于奇数个自旋，T^2=-1，T是时间反演算符。如果需要，也可以用iKsigma_y表示。很容易证明，任意自旋态与T作用后的态相互正交。

由于动量算符时间反演后反号，所以动能算符时间反演不变。坐标也是时间反演不变的。所以一个通常的哈密顿量时间反演不变，两个自旋态相互之间严格简并，故而一个能级总是二度简并的。

众所周知，时间反演的引入是因为李杨发现了宇称不守恒。为了找回对称性，而有了CPT联合变换。宇称不守恒，或者叫空间反演不变性破缺，是因为漏考虑了时间反演。为时间反演找的离散指标就是自旋，这个原本作为双态系统而引入的自由度。

现在的问题是，宇宙为什么要在时空自由度之外再额外演化出自旋这样一个新的自由度，这个自由度到底是否物理？

按照传统电磁学，经典电荷的环路电流就能响应磁场了。所以一开始发现塞曼效应时，普遍认为就是体现了轨道磁矩的贡献。现在看来，这或许是一个具有历史局限性的误会。我们其实很难讲清楚轨道究竟是怎么直接贡献磁性的，通过自旋间接贡献或许更为合理。

在场论框架下，对磁的响应主要还是来自规范旋转，也就是引入时空以外的自由度来响应磁场。

不失一般性，由于复平面的相位是在这之前尚未被赋予物理意义的新自由度，让它去匹配规范旋转所对应的自由度，正常人都能想到。

就像实空间里有了一维就会想二维一样，进了复空间，有了一维的相位 (复空间的径向分量可以看作是实空间的自由度)，当然马上就要想二维啦。二维复空间，除去一个实数自由度，剩下三个虚数自由度，就有了自旋的三个分量。

描述电子就三个基本参数，电荷、质量与自旋，还有没有更多的目前尚不得而知。我们只是恰巧生活在地球这个大铁球上，有地磁这个特殊的存在，才得以解锁磁这个自由度。换个星球上生存，会解锁些什么，谁也不知道。

实空间是已经被惯性质量占有的自由度，自旋当然要有自己特有的自由度，要不怎么对得起基本参数这样的地位。

因为我们对质量、引力的理解尚未与电磁力相统一，故而还无法将两个自由度放进一个大框架里讨论。目前这个阶段，自旋就是最基本的。

Note

自旋与质量、电荷等物理量一样，是微观粒子的一个基本属性。
也就是说，电子（或其他微观粒子）的自旋角动量及其相应的磁矩是电子本身的内禀属性，所以通常也称为内禀角动量和内禀磁矩。
自旋角动量是粒子与生俱来的一种角动量，并且其量值一定是量子化的，无法被改变（但自旋角动量的指向可以透过操作来改变）。
相对于大家熟悉的静止质量和电荷，自旋是微观粒子的一个新的自由度。
已经有大量的实验证明，自旋及其相应的内禀磁矩是标志各种基本粒子的非常重要的物理量，每个粒子都具有特有的自旋。

自旋是量子力学当中特有的，它并没有经典物理学的对应物。
在量子力学中，其含义也只有在相对论量子力学中才能搞清楚。

  • 自旋为 0 的粒子从各个方向看都一样，就像一个点。
  • 自旋为 1 的粒子在旋转 360° 后看起来一样，自旋为 2 的粒子在旋转 180° 后看起来一样，自旋为 1/2 的粒子则必须旋转 2 圈看起来才会一样。

自旋为半整数的粒子组成宇宙中的「物质」，而自旋为 0、1、2 的粒子产生物质粒子间的力。
已经发现的粒子中，自旋为整数的，最大自旋为 4；自旋为半奇数的，最大自旋为 3/2。
自旋为 1/2 的粒子包括电子、正电子、质子、中子、中微子和夸克等，光子的自旋为 1，理论假设的引力子自旋为 2，希格斯玻色子在基本粒子中比较特殊，它的自旋为 0。

原子和分子的自旋是原子或分子中未成对电子的自旋之和，未成对电子的自旋导致原子和分子具有顺磁性。
人们乐于将自旋类比于经典物理中的自转（比如地球），但这种比喻只在一定程度上可用。
自旋是微观粒子的内禀属性，不能用经典转动的图景来解释。
量子力学经常有悖于我们的日常生活经验，在前面的讨论中，我们已经多次遇到这种情况了。
自旋，也是一个不好想象的东西。

via 知识漫游指南

　　

评论:

宇宙尘:

很简单：为了解释宇宙物理事实，现代物理学人，被迫发明(或苴接臆造出)一批物理学概念，自旋就是这批被发明(臆造出)概念之一！
这与人类发明”鬼”这个概念，来描述生存中所碰到的，一些无法确知与解释的现象，是本质同一的。至于”鬼(自旋)”是否真的存在？没关系，先暂时给以解释了再说！
现代物理理论就是这样发展出来的，从标准模型到弦论，再到标谁宇宙学理论(模型)，里面充斥着无数的臆想与猜测。而且学者们都以自己能臆想与猜测而自豪！各种千奇百怪的新理论新模型层出不穷。所以，准确地说，现代物理学宇宙学，已越来越象是算命学了。
没办法，这是人类的特有的悲哀，没法避免。

Axion -> 宇宙尘: 那你是准备算一算呢，还是准备算都不算躺平接受自己是个悲哀的虫子的命运？ (4 赞)

114514 -> 宇宙尘: 民科收收味 (3 赞)

不想起名字 -> 宇宙尘: 科学本来就是臆想和猜测，和民科的区别就在于人家会做实验来证实或证伪这些臆想和猜测。

知乎用户: 我们只是恰巧生活在地球这个大铁球上，有地磁这个特殊的存在，才得以解锁磁这个自由度。换个星球上生存，会解锁些什么，谁也不知道。 赞👍 (1 赞)

启意: 每个字好象都认识。

Liuqf: 在相对论场论的框架下，自旋应该算是时空自由度的一部分？

chxiLuuu: 其实应该再讨论一下Dirac方程和非相对论极限的[捂嘴]

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