你會認為電子很容易描述。群眾收費。很好去。這兩個小數字可以用來描述一大堆電磁現象。但是研究人員已經知道這些粒子比這個復雜得多。
奧托·斯特恩和瓦爾特·格拉赫（Walter Gerlach）于1922年在一個不同的磁場中拍攝了一些銀原子，并且看到了一些他們無法解釋的東西。該裝置需要電中性的銀原子 - 其電子的電荷與質子的電荷完全平衡。如果你要進行這個實驗而不了解量子力學（拉斯特恩和格拉赫），你可能會期望得到兩個結果中的一個。[天文學和物理學中最重要的5個實驗]
在最無聊的可能結果中，原子的中性將消除與磁場的任何相互作用，并且它們將直線航行通過設備而不會眨眼。
然而，如果原子的組成部分表現為像不僅有質量和電荷的小金屬球，而且還可以在自己的軸上旋轉，那么角動量確實會與周圍的磁場相互作用，產生一個扭矩。這是一個完全正常和眾所周知的電磁效應，你可以在家里嘗試，假設你有強大的磁場和快速旋轉的金屬球。
由于每個原子在隨機的方向上都有一個隨機的轉矩，所以這個相互作用將散開原子的軌跡，并在離開磁場后將它們潑濺在屏幕上。
斯特恩和格拉赫感到驚訝，因為他們都沒有。
在路上叉
相反，兩位德國科學家發現自己盯著銀原子的兩個不同的斑點。而不是直線前進，而不是平均展開，似乎銀原子已經合謀將自己分成兩個不同的陣營，一個隊伍向上，另一個向下。
實驗者目睹了亞原子領域的第一個在你面前的線索之一。在這種情況下，量子效應是完全有效的，研究人員很快意識到原子（或者更準確地說，包含原子的粒子）具有以前未知的性質，只有在磁場存在的情況下才會顯現出來。
而且由于這些原子有點像電荷金屬的旋轉球，這個新的屬性被稱為“旋轉”。所以像電子這樣的粒子突然有三個屬性：質量，電荷和自旋。
拿出來“旋轉”
就像質量和電荷一樣，我們可以進行實驗來發現自旋屬性的性質，以及它如何與宇宙中的其他力量和粒子相互作用。事實證明，旋轉確實有一些非常奇怪的屬性。
首先，特定粒子自旋的大小是固定的。根據定義，電子的自旋等于1/2。其他粒子可能有自旋為1，3/2，2，甚至為0，粒子自旋的大小決定了我們實際測量的旋轉方向。
例如，像電子那樣的自旋1/2粒子只能被測量為+1/2或-1/2，對應于斯特恩 - 格拉赫實驗的向上和向下偏轉。一個自旋1粒子，如光子，可以被測量方向+1,0或-1，就是這樣。我知道這是令人困惑的符號，但是你必須責怪100年前首先描述它的物理學家。
請記住，旋轉的實際方向可以指向任何地方 - 想象一下，在每個粒子上標記一個小箭頭。箭頭的長度是固定的每種粒子，但我們只允許測量有限數量的方向。如果箭頭指向的位置稍微上升，它將在任何實驗中注冊為+1/2。如果它有點下降或者很低，那沒關系，我們得到-1/2。就是這樣。
這就像世界上最無用的GPS導航：不是給你準確的方向，而只是告訴你，“向北走500步”或“向南走500步”。祝你好運，找到這家餐廳。
把它達到極限
那正好是量子力學的本質：它從根本上限制了我們測量小尺度事物的能力。
經過充分的實驗后，自旋的“規則”被添加到科學家對量子物理學的知識中，同時在20世紀20年代發展起來。但這并不是天作之合。大多數人所熟悉的量子世界的制定 - 比方說，著名的薛定諤波動方程，它允許我們計算粒子位置的概率 - 并不包括自旋的概念。
這個麻煩源于Erwin Schrodinger在計算所有這些量子業務時所采取的方法。到20年代初，愛因斯坦的狹義相對論已經是老話了，物理學家知道任何物理定律都必須包含它。但是，當薛定諤寫出他的等式的相對正確版本時，他無法做出正面和反面的結論，并放棄了我們所知道和喜愛的不太正確但仍然可行的版本。薛定諤量子力學的圖景雖然非常有用，但并不自動包含任何旋轉的描述 - 它必須被不恰當地加以利用。
但與此同時，一位名叫保羅·艾德里安·莫里斯·狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac）的理論物理學家也在困惑著量子世界，并且對包括狹義相對論在內的量子力學的研究方法充滿了內疚。而不像他的伙伴歐文，他能夠破解數學代碼，并找出其含義。把量子力學與狹義相對論結合起來的一個含義就是 - 你猜對了 - 旋轉。他的數學自動包含了自旋的描述。如果他在斯特恩和格拉赫的實驗之前幾年就已經完成了這個工作，他本可以預測他們的結果！
相反，我們通過實驗發現了量子自旋，但狄拉克教導我們，為了理解這個奇怪的粒子屬性，我們必須把自己放在一個完全相對論的，量子的精神狀態中。盡管很可能，但我們必須完全放棄任何亞原子粒子微小的旋轉金屬球的想法;他們的行為比隱喻所暗示的要復雜得多。事實上，可能根本就沒有有用的比喻。
這種神秘的財產根本沒有經典的描述。相反，自旋是我們宇宙的一個基本屬性，只能在量子力學和狹義相對論的交集中出現，而沒有宏觀的隱喻。只有通過狄拉克的數學機制，我們才能對自旋行為做出預測，以便做物理學。因此，我們有一個不幸的例子來回答“旋轉是什么”的問題。只是指向狄拉克的數學而聳聳肩。
