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基本粒子為什么需要自旋,如果不自旋會怎么樣

我們對粒子自旋的理解也不例外 。我們需要把粒子的形成和它們的外部環(huán)境結合起來,而不是武斷地把自旋歸結于粒子的內在屬性 。如果把自旋看成是粒子的經典旋轉,就違背了相對論 。這是因為你可以計算電子自旋的線速度 。計算過程如下 。這是偷換概念,或者斷章取義 。比如足球之所以靜止時沒有自轉,是要脫離母體單獨看的,就像胎兒為什么不能獨立一樣 。
粒子為什么會自旋?
粒子的自旋和平常我們見到的物體自轉、地球自轉這些可不是同一種物理機制,這在量子力學的教科書上是早就明確說過的 。首先,宏觀物體自轉,比如說地球的自轉吧,它的背后是角動量守恒這一物理學定律,物理學上有一個很有威力的定理,是一個叫做諾特的女數學家證明的,所以叫做諾特定理 。諾特定理告訴我們,一個連續(xù)的對稱性背后一定會有一個相應的守恒定律,
物理學家將這個定理應用到我們的時空中,由空間平移對稱性得到動量守恒;由時間平移對稱性得到能量守恒 。而相應于空間轉動的對稱性,也就是你說的“自由實體”會自轉,并且在沒有外力作用下根本停不下來,這個對稱性背后相應的定律就是角動量守恒定律,但是微觀粒子的“自旋”并非是空間轉動對稱性所導致的,它的來源是在狄拉克方程中 。
由于狄拉克方程是相對論性的方程,而在我們取非相對論近似后得到的克萊因-高登方程中自旋的效應就會被抹去,因此我們也說粒子的自旋其實是一種相對論性效應,其實關于粒子的自旋,有不少中國物理學家認為這個名字起得并不恰當,而更愛使用“spin”這個英文稱呼,原因就是“自旋”讓人聽起來似乎是粒子在轉動 。如果把自旋看作是粒子的經典自轉,就會違背相對論,這是因為你可以計算電子的自旋線速度,計算過程如下:得到的答案超過了光速——這和狹義相對論是矛盾的,
為什么微觀粒子都存在自旋,如果不自旋會怎么樣?
對于一個人的行為,可以簡單的用“他就是這么一個人”來解釋,也可以根據其生長的家庭環(huán)境和大的社會背景來予以理解 。實際上,不只是人,自然界中的任何物體都不是完全獨立和自由的,都會受到其存在的物理背景的影響與束縛,比如,任何物體的運動速度都是不能超過光速的,因為光速是量子空間的傳播速度 。我們對于粒子自旋的認識也不例外,需要結合粒子的生成與其外部的環(huán)境來認識,而不是武斷地將自旋歸結為粒子的內在屬性,
因為,后者并沒有給我們的認識帶來更多的信息與知識 。在一百多年以前,人們對物質的認識是憑著直覺,認為物質是實體,比如,英國科學家?湯姆遜提出了面包加葡萄干的模型,認為在原子的內部充滿著質量并于其表層鑲嵌著電子 。然而,新西蘭人盧瑟福用阿爾法粒子轟擊原子(金箔),其意外地發(fā)現,只有極少數的粒子被反射了回來,
這說明,在原子的內部,其絕大部分空間都是空的,質量只集中在很小的區(qū)域 。后來,隨著量子力學的發(fā)展,使我們逐漸地認識到,原子的體積僅只是電子高速運動所產生的封閉體系,即物質是不實的,此外,在1900年,德國物理學家普朗克為了避免連續(xù)的能量會集中在能量高的紫外端輻射??即為了避免紫外災變,在其新的黑體輻射公式中提出了一個常數h,該常數的量綱是粒子的角動量,具有相對于粒子能量的不變性 。
這意味著,在我們的宇宙中,存在著不可再分的最小粒子,能量是關于粒子運動能力的度量,存在著最小粒子,表明能量是不連續(xù)的,進而消除了紫外災變的預言 。為了凸顯這一最小粒子的不可再分的特性,我們就將該粒子命名為量子,于是,我們獲得了一個有機的量子宇宙觀,離散的基態(tài)量子構成物理背景(空間),由高能量子組成的封閉體系就是物理對象即各種基本粒子(物質) 。

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