量子自旋是微观世界中最基本也最神秘的特性,也是是微观粒子所具有的内禀属性。自旋不仅开启了现代磁学的黄金时代,使一个小U盘就能够存储大量的数据。还与核磁共振相关,探测分析人体内氢核自旋的信号,诊断疾病。量子自旋有哪些用途?零磁场核磁共振方向有哪些研究与发展?如何探测暗物质?
出品:格致论道讲坛
以下内容为中国科学技术大学教授彭新华演讲实录:
大家好,我叫彭新华,来自中国科学技术大学,从事量子信息领域的研究。今天想和大家一起分享的主题是在量子世界,或者说微观世界中,最基本、最神秘、也最难懂的一个特性——量子自旋。
很多人一听到量子,可能就会担心接下来的内容会听不懂。其实没有关系,著名的物理学家、量子力学的创始人玻尔曾经说过:“谁不对量子力学感到困惑的话,他就没有理解它。”因此,如果你有了困惑,说明你开始逐渐理解它了。
那么,就让我们一起来看看量子自旋到底是什么。
电子自旋假设:假设电子能像地球一样自转起来说到自旋,大家可能会马上想到自转。我们熟悉的地球就始终绕着它的自转轴转动着,还有小朋友们经常玩的陀螺、悠悠球等都有自转的现象。
而世界是由原子组成的,电子则是绕着原子核在做高速运动。那么,电子会不会有像地球那样的自转现象呢?科学家通过一个非常意外的发现,证实了电子存在类似于自转的现象。
1896年,著名的荷兰物理学家塞曼做了一个非常有趣的实验。他观测到钠原子的光谱在磁场中分裂成3条的现象,并且得到了很好的理论解释。这就是著名的塞曼效应。
第二年,普雷斯顿在塞曼的实验基础之上,对锌原子和镉原子做了同样的实验,但是观测到的却是不同的分裂情形。即分裂的谱线不再是3条,而是会有更复杂的分裂。这个反常的分裂把当时的物理界弄得很困惑。
在将近20年之后,荷兰两位非常年轻的物理学家乌伦贝克和古兹米特,提出了一个大胆的假设,即假设电子能像地球一样自转。这就是著名的电子自旋假设,而它很好地解释了刚才那个反常的谜团。
但是我们假想一下,如果电子真的自转起来会发生什么样的现象?
根据现在的测量数据,电子的半径尺寸是非常小的,远远小于1飞米(10-15米)。假定电子是一个电荷和质量均匀分布的带电刚性小球,我们把这样一个非常小的小球自转起来,通过计算,会发现它表面的线速度要远远超过光速。而这是不可能存在的,因为它违背了物理学的基本原理。这也就意味着电子的自旋并不等于自转。