如何理解電子的自旋,爲什麼一個電子會同時有兩個旋轉方向?

蒲公英的約定數


自旋是微觀粒子的一種特定屬性,和粒子的質量、電荷等一樣,自旋就是表徵微觀粒子的一個量子力學物理量,類似的還有同位旋、顏色、味道等,都是微觀粒子的“標籤”。不同的微觀粒子,它具備的一組“標籤”是有所不同的。自旋,如果只是顧名思義的話,有點像經典物理裡面地球的自轉,它可以產生一個角動量。但這種理解並不正確,因為假設電子的磁矩是因為自身帶電電荷旋轉造成的,那麼自旋產生的角動量將非常大,以至於按照經典物理的自轉模型來理解的話會導致粒子的邊界大大超過光速(注意電子的直徑很小),而這點在物理中是被嚴格禁止的。

自旋指的是微觀粒子與生俱來就帶有一個量子化的角動量,屬於粒子的內稟屬性。所有的粒子都具有自旋的屬性,而且自旋數並不一定是整數。自旋為半奇數的粒子稱為費米子,服從費米-狄拉克統計;自旋為0或整數的粒子稱為玻色子,服從玻色-愛因斯坦統計。正負電子、質子和中子的自旋都為1/2,屬於費米子;而光子的自旋為零,屬於玻色子。自旋可以等效地認為是一個具有N極和S極的最小磁單元。自旋的存在,使得微觀粒子在運動過程中不僅僅由於其軌道角動量會產生軌道磁矩,而它們的自旋角動量也同時會產生自旋磁矩,粒子的總磁矩是軌道和自旋兩部分貢獻的整體效應。對於原子核來說,中子和質子的自旋以及軌道角動量將整體貢獻出一個核磁矩,原子核磁矩的存在,是核磁共振現象的基礎。對於核外電子來說,諸多電子的軌道磁矩和自旋磁矩也將組合在一起體現整體的磁矩。電子的磁矩一般要比核磁矩大得多,因此對於原子整體而言,將主要體現出電子造成的磁矩。


飛賊克斯和康德馬特

我在之前的某次問答中,解釋過自旋。很有把握地說,自旋是二十世紀物理學比較抽象難懂的概念之一。因為自旋不是很直觀的物理量,它不像位移、速度那樣可以很直觀地描述來。自旋是相當抽象的物理量,需要用相對深刻的數學物理工具來描述。

要想理解自旋首先要先理解時空對稱性,也就是說,時空對稱性除了能容下轉動對稱性外還能容得下自旋這種對稱性。而要理解對稱性,就得從相對論時空觀出發。自旋既是一種相對論效應,也是一種量子效應。只有同時把握相對論和量子力學,才能詮釋自旋。【注意,這裡的相對論僅僅指的是狹義相對論,而不涉及到廣義相對論。】

最早從物理學上解釋自旋的是英國物理學家狄拉克。狄拉克將狹義相對論量子化的結果構造出來,並且基於克利福德代數成功地解釋了電子自旋角動量本徵值為何是1/2。我在這裡不多介紹相關知識,題主可以閱讀《高等量子力學》或者《量子場論》等書籍獲得答案。在這裡我僅僅粗淺地解釋電子的自旋為何會有兩種自旋方向。原因是時空對稱性只允許電子自旋角動量本徵值有兩種,值得注意的是,這一切和四維時空的維數有關。如果時空維數是三維或者五維,那麼自旋就不是我們現在所觀測到樣子。高維時空下的量子理論,或許只能是弦理論。因此自旋的表述就比較複雜,絕對不是我們現在所觀測到的電子自旋這種“低級貨”。再強調一點,電子自旋是所有可能的旋量裡面(旋量的定義也可以在我前面提到的書籍裡找到)最簡單的情況,而更復雜的自旋可以通過做直積電子自旋來獲得。比如說自旋為1的粒子會有三種自旋取向,而自旋為3/2的粒子(比如說尚未找到的引力微子)將有四種自旋取向。


科學聯盟

再小的粒子,都由兩個部分組成。實體的部分(即看得見的部分即為陰的部分)和看不見的陽的動的部分。其實不論是多小的微粒子,還是大到實體的星球,整體都是由陰的部分和陽動的部分組成的。我們能看到的只是一個物體的實體部分。也就是隻看到這個物體的一半,而牠的另一半陽動的部分我們是看不到的。整個的物體通過陰陽相互吸引的原理把這個物體分為陰陽兩半。而實體部分的旋轉是在陽氣渦旋力的推動下發生的,屬於被動發生的。而實體的旋轉方向是和陽的渦旋方向是相反的。即:逆時針方向旋轉的是實體的旋轉,順時針方向是旋轉是陽氣的天性旋轉。回到問題,經過以上敘說推理,就不難理解,電子為什麼會有向兩個方向旋轉的原因了。


智傑13

科學聯盟的回答文不對題。科學聯盟只是回答了什麼是自旋,但題主的問題是,為什麼一個電子會同時擁有兩個旋轉方向?如果題主知道了量子力學中自旋的真正含義,那麼題主的問題就是,為什麼一個電子會同時擁有兩個自旋值?同時擁有兩個自旋值,只有在疊加態中才會存在,所以,題主的問題就是,為什麼一個電子會同時處於兩個自旋狀態的疊加態,就像那隻薛定諤的貓,同時處於死亡與活著的疊加態?


董加耕

磁丶磁能丶磁場或只是傳達一種微觀物質於其空間分佈的密度性事物體,而其這種密度性可表達的空域性越廣泛便越能體現它能源意義上的不竭性質。比如水體於高度差下所表達的壓力性,當於其區域內使用壓力的方式,我們便可以將平靜的水域攪動起來,甚至可以使其往上流動;這是因為水體是由勻質的水分子所構成的整體,而這個整體於微觀世界亦可認為其是一個充滿水份這樣的帶有其物質性痕跡的區域性空間體。同樣的道理,在微觀的世界裡,其存於空間密度(“壓力")上的改變所能偶意的空間意義有多深遠與寬泛!在理解微事物或物質時,確定其層次化的空間性聯繫意義是首先要克服的侷限性思維固化形式這樣的封閉態思維侷限性。


雪舞200324376

由於電子太小人類無法直觀的觀測只能用介質間接測量,最好的介質就是不規則均勻磁場。由於人類目前只能從宏觀中得知帶電球體旋轉通過磁場會改變路徑,所以推導微觀粒子必定也是隻有旋轉才會偏移。對量子力學有利的可借用宏觀定律,對量子力學不利的堅決否定,量子的不確定性就出現了。量子力學既然規定不能用宏觀的現象來理解微觀,那麼微觀電子未必是旋轉(只是目前還不瞭解電子和磁場作用體系)!


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