Paul Sutter是俄亥俄州立大學的天體物理學家和COSI科學中心的首席科學家。 薩特同時也是一名宇航員和太空電臺的主持人， 他帶領著世界各地的太空之旅。
你會認為電子很容易描述。 品質。 電荷。 好了。 這兩個小數位可以用來描述一大堆電磁現象。 但研究人員已經瞭解到， 這些顆粒要比這複雜得多。
1922年， 奧托·斯特恩(Otto Stern)和瓦爾瑟·格拉赫(Walther Gerlach)在一個不同的磁場中發射了一些銀原子， 發現了一些他們無法解釋的東西。 這種裝置要求銀原子是電中性的——它們的電子電荷完全平衡了質子的電荷。 如果你要運行這個實驗， 而不瞭解量子力學(拉斯特和格拉奇)， 你可能會想到兩個結果中的一個。 [天文學和物理學的5個最巧妙的實驗]
在最無聊的結果中， 原子的中立性會抵消任何與磁場的相互作用， 它們會直線穿過儀器，
然而， 如果原子的組成部分像小金屬球那樣， 它們不僅有品質和電荷， 而且還可以在自己的軸上旋轉， 那麼角動量就會與周圍的磁場相互作用， 產生一個力矩。 這是一個完全正常和眾所周知的電磁效應， 你可以在家裡嘗試， 假設你有強大的磁場和快速旋轉的金屬球。
因為每一個單獨的原子都有一個隨機方向的隨機轉矩， 這種相互作用會分散原子的軌跡， 使它們在離開磁場後在螢幕上濺射。
斯特恩和格拉赫很驚訝， 因為他們兩者都沒有。
走在路上的岔路口
相反， 兩位德國科學家發現， 他們正盯著兩個截然不同的銀原子的斑點。 它不是直線前進， 而是均勻地擴散， 似乎銀原子已經合謀將自己分成了兩個截然不同的陣營，
實驗人員正在親眼目睹一種第一次出現在你面前的蛛絲馬跡， 即亞原子領域是在遠離那些熟悉的規則的規則下運行的。 在這種情況下， 量子效應是完全有效的， 研究人員很快就認識到，
由於這些原子的表現為帶電金屬的旋轉球， 這個新特性被稱為“旋轉”。 所以像電子這樣的粒子突然有了三個性質:品質、電荷和旋轉。
帶著它去“旋轉”
就像品質和電荷一樣， 我們可以通過實驗來發現旋轉性質的性質以及它如何與宇宙中的其他力量和粒子相互作用。 事實上， 旋轉確實有一些很奇怪的性質。
首先， 特定粒子自旋的大小是固定的。 根據定義， 電子的自旋等於1 / 2。 其他粒子可能有1、3 / 2、2甚至0的旋轉。 粒子的自旋的大小決定了我們可以測量的旋轉方向。
例如， 一個像電子一樣的自旋1 / 2粒子只能被測量為+ 1/ 2或- 1/ 2， 對應于施特恩-格拉赫實驗的上下偏轉。 一個自旋1粒子， 比如一個光子， 可以被測量為有方向+ 1,0， 或者- 1， 就是這樣。 我知道這是一種混亂的符號， 但是你要怪那些第一次描述它的物理學家。
請記住， 旋轉的實際方向可以指向任何地方-想像一個小箭頭標記在每個粒子上。 箭頭的長度是固定在每一種粒子上的，但是我們只能測量有限的方向。如果箭頭指向稍微向上，它會在任何實驗中註冊為+ 1/ 2。如果它有點小，或者很低，沒關係，我們得到- 1/ 2。就是這樣。
這就像世界上最沒用的GPS導航:你只能告訴你，“往北走500步”，或者“往南走500步”，而不是給你準確的方向。“祝你找到那家餐館好運。”
把它帶到極限
這就是量子力學的困擾本質:它從根本上限制了我們測量小尺度事物的能力。
經過足夠的實驗，科學家們在20世紀20年代開發的量子物理學知識中加入了自旋的“規則”。但這並不是一種自然的契合。大多數人都熟悉的量子世界的公式——比如著名的薛定諤波方程——允許我們計算粒子位置的概率——並不包含自旋的概念。
箭頭的長度是固定在每一種粒子上的，但是我們只能測量有限的方向。如果箭頭指向稍微向上，它會在任何實驗中註冊為+ 1/ 2。如果它有點小，或者很低，沒關係，我們得到- 1/ 2。就是這樣。這就像世界上最沒用的GPS導航:你只能告訴你，“往北走500步”，或者“往南走500步”，而不是給你準確的方向。“祝你找到那家餐館好運。”
把它帶到極限
這就是量子力學的困擾本質:它從根本上限制了我們測量小尺度事物的能力。
經過足夠的實驗，科學家們在20世紀20年代開發的量子物理學知識中加入了自旋的“規則”。但這並不是一種自然的契合。大多數人都熟悉的量子世界的公式——比如著名的薛定諤波方程——允許我們計算粒子位置的概率——並不包含自旋的概念。