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自旋的奇异量子性质

除了质量和电荷外,电子还有一种奇怪的量子性质,叫做“自旋”Pietro Zuco/Flickr-

Paul Sutter是俄亥俄州立大学的天体物理学家和COSI科学中心的首席科学家。萨特还是“问一个太空人”和“太空广播”的主持人,并领导世界各地的太空旅行。萨特把这篇文章贡献给了太空的专家之声:评论与洞察。

你会认为电子很容易描述。质量。冲锋。很好去。这两个小数字可以用来描述一整套电磁现象。但研究人员已经了解到,这些粒子要复杂得多。

在1922年奥托·斯特恩和沃尔特·杰拉克通过不同的磁场射 ... 一些银原子时变得清晰起来,并看到了一些他们无法解释的现象。这个装置需要电中性的银原子——它们的电子电荷与质子的电荷完全平衡。如果你运行这个实验,却对量子力学一无所知(a la Stern and Gerlach),你可能会期待两个结果中的一个。[天文学和物理学中最巧妙的5个实验]

在最无聊的可能结果中,原子的中性会使任何与磁场的相互作用失效,它们会直线航行穿过仪器,甚至不眨眼。

然而,如果原子的组成部分表现得像小金属球,它们不仅具有质量和电荷,而且还可以在自己的轴上旋转,那么角动量确实会与周围磁场相互作用,产生扭矩。这是一个完全正常的众所周知的电磁效应,你可以在家里尝试,假设你有强大的磁场和快速旋转的金属球。

因为每个单独的原子在一个随机的方向上都有一个随机的力矩,这种相互作用会分散原子的轨迹,“KDSPE”斯特恩和格拉克惊讶于他们没有得到“KDDSPE”,在路上用叉子“KDSPs”代替,这两个德国科学家发现自己盯着两个不同的沉积银原子的斑点。银原子并没有沿着直线运动,也没有均匀分布,而是合谋地将自己分成两个不同的阵营,一个阵营向上,另一个阵营向下。

实验者在你的脸上看到了亚原子领域按规则运行的第一条线索那远不是我们熟悉的。在这种情况下,量子效应发挥了全部作用,研究人员很快意识到,原子(或者更准确地说,构成原子的粒子)具有一种以前未知的性质,只有在磁场存在的情况下才会显现出来。

,由于这些原子有点像带电金属的旋转球,这种新的性质被称为“自旋”。于是像电子这样的粒子突然有了三种性质:质量、电荷和自旋。

把它取出来“自旋”,

,就像质量和电荷一样,我们可以进行实验来发现自旋性质的性质以及它如何与宇宙中的其他力和粒子相互作用。结果发现,自旋确实有一些非常奇怪的性质,比如

,一个特定粒子的自旋大小是固定的。根据定义,电子的自旋等于1/2。其他粒子的自旋可能是1,3/2,2甚至0。粒子自旋的大小决定了我们可以实际测量的自旋方向。例如,

,一个自旋为1/2的粒子,就像一个电子,只能被测量为+1/2或-1/2,对应于斯特恩-杰拉克实验的上下偏转。自旋为1的粒子,比如光子,可以被测量为方向为+1、0或-1,就这样。我知道这是一个令人困惑的符号,但你必须责怪最先描述

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