电子为什么会自旋,粒子为什么会自旋( 七 )


4、粒子的自旋永不停止(关于内禀)现在我们来说说,自旋的内禀、固有是什么意思?宏观世界中,没有永远旋转的永动机,不管什么物体旋转,最终都会停下来的 。但自旋不会,如果你认为它们真的在那里旋转,同样的,电子的绕轨运动也永不停止,如果你认为它们真的是在做标准的宏观上的有确定轨道的绕行的话 。当然,如果你用彭宁陷阱去约束它,它可以被限制在一个很小的空间,但运动更严格的说,波动和自旋,永不停止 。
但它给你表现出的运动确是不同于我们一般意义上的运动,它是以一定的概率弥散在空中的,这种弥散的状态可以被薛定谔方程和狄拉克方程所描述,玻恩将其称为概率波,费曼称之为路径积分求和 。当你观测它时,电子的轨道运动就会收敛到一条随机的轨道上(只是轨道角动量效应表现在一条轨道),它的自旋会收敛到一个确定的磁矩方向 。
所以,严格的说,它不是在做宏观意义上的运动,只是在你观测时,它的波动性收敛后给你的感觉 。所以,永不停息的自旋被称为内禀、固有,如同质量,你不可能说,电子的质量会停下来,如同电荷,你不可能说,电子的电荷会停下来 。朝向可能是终极答案的方向再进一步关于内禀、固有的说法更进一步是:在弦理论背景下,自旋与质量和电荷一样,也关联着弦的振动模式,也就是说,自旋是弦振动产生的属性之一,这可能真正触及了自旋的本质(虽然这确实有点俄罗斯套娃的感觉),因为量子理论可以描述自旋,但却不知道自旋究竟是什么?接着,来讲一讲与自旋有关的一个更深入的思想:超对称对称是我们在生活中经常见到的,比如:左右对称、上下对称、镜相对称 。
在物理上,常见的一些运动也对应着对称不变性,比如:平移、旋转对应着平移对称性、旋转对称性,而这种对称性又对应着一种守恒定律,这是1915年由德国女数学家艾米·诺瑟(Emmy Noether)证明的,比如空间的平移不变对应着动量守恒、空间旋转不变对应着角动量守恒、镜相对称对应着宇称守恒 。那么自旋呢?它与什么样的对称性及物理规律对应呢?显然,自旋不是经典运动中的任何中的一种,因而也不对应着经典世界中的任何一种对称性 。
1971年,物理学家们证明了,自旋有一种在数学上可能的自然规律对称性,这就是所谓的超对称 。经典的对称性你应该能在脑海中想到怎样去变换,但超对称则没有一种具体的图像 。如上图,根据超对称理论,每一种标准模型的粒子都有一个超对称伙伴粒子,它们总是成对出现,自旋量子数相差1/2,也就是说一个是费米子,另一个就一定是玻色子 。
比如,电子的超对称粒子是“超电子”,自旋为0,中微子、夸克同样的也有“超中微子"、“超夸克”,自旋为0;光子有“光微子”,自旋为1/2,这样,超对称理论就将自旋为半整数的物质粒子与自旋为整数的信使粒子联系到一起 。该理论认为:超对称粒子的质量至少在质子质量的1000倍以上,以至于LHC对撞机的能量还是显得太小,所以,目前还没有发现一种超对称粒子,但科学家们仍然没有放弃这样的理论假设 。
因为超对称理论在突破目前的理论极限方面显得很有希望(或者说没有其他更好的选择) 。超对称理论意味着费米子和玻色子总是会同时出现,具有成对消除量子力学效应的倾向,从而使标准量子模型中那好像经过精细调节的参数变得不那么敏感了,或者打个比方说,即使存在量子涨落,但被成对消除了 。这符合我们的直觉,我们的世界应该是个有足够冗余度的世界,就如同我们的地球,即使在一个小范围出现了短暂的火灾、飓风,但地球整体上是温和的 。

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