電子真的可以旋轉嗎？

對于我們大多數人來說，原子作為微小太陽系的圖表是我們進入粒子物理學世界的入門。不幸的是，這些標志性的圖像比正確的錯誤更多。

一方面，電子不像圍繞塊狀太陽運行的小行星。它們可能甚至不是微小的球體，而是空間中的針刺，沒有寬度、高度或深度。

作為一個沒有寬度的物體，它沒有任何東西可以旋轉。

那么物理學家在描述粒子的“自旋”時指的是什么呢？

為什么我們認為電子會自旋？

在量子力學的早期，一些物理學家琢磨了這個想法像電子這樣的粒子是否真的在旋轉。雖然這個想法并不完全符合關于電子行為的現有理論，實驗中的一些觀察和理論上的瑣碎差距表明并非如此。

一個是電子的路徑在遇到磁場時會彎曲，就好像它本身就是一個微小的磁鐵一樣。這本身并不是一件令人震驚的事情——畢竟，移動的電荷會產生磁場。

但是當兩位德國科學家名叫奧托·斯特恩和瓦爾特·格拉赫時測量此字段在1920年代早期圍繞銀原子核運行的電子中，他們發現這些數字并沒有加起來。電子也必須在原地移動才能有意義——它們必須旋轉。

奇怪的是，結果暗示這種旋轉會產生非常特定方向的小磁場，相對于外部磁場嚴格指向直上或直下。它們從來沒有隨機傾斜過。

與此同時，一位理論家名叫沃爾夫岡·泡利他正在研究一個原理，有助于解釋為什么一些粒子（如原子核中的電子和粒子）在占據相同空間時不能彼此重疊，而其他粒子（如光子）可以。

他的“不相容原理”需要一組四個量子數。有人描述了粒子的能量。另外兩個與角動量有關。但第四個似乎與任何明顯無關。

一位名叫塞繆爾·古德斯密特（Samuel Goudsmit）的年輕荷蘭出生的美國科學家會很快提供答案.對磁場中譜線的公式應用新的解釋，稱為雙峰，他無意中發現了電子運動的證據，這種運動看起來像自旋一樣不可思議。并不是說他一開始看到它 - 它花了許多長時間的對話另一位年輕的荷蘭裔美國物理學家喬治·烏倫貝克（George Uhlenbeck）明確表示。

“但你不明白這意味著什么嗎？這意味著電子有第四個自由度，“Uhlenbeck著名的回應。

“這意味著電子有一個自旋，它旋轉。

雖然他們不是第一個考慮概念，對話以及這些理論和實驗的結果，為電子 - 以及其他基本粒子 - 旋轉提供了一個明確的案例。

但是，在量子力學的兔子洞里，沒有什么能如此簡單。