電子真會旋轉嗎?

問:量子力學中「電子自旋」的實質意義為何?書上說「自旋並非真是粒子的旋轉」又該怎麼解釋?

答:其實除了電子,許多其他(基本)粒子也擁有自旋。通常我們用粒子的自轉來比喻自旋,只是一種機械式模型,嚴格說來並不正確。根據量子物理,其實不能把粒子想成一個很小的球體,甚至不能想成任何形體,又哪裡來的自轉呢?

巨觀世界的許多物理現象,在微觀世界中雖有類似的對應,卻絕非單純的縮小而已。例如我們可以認為原子是個微型太陽系,可是電子的軌道(其實是軌域)和行星的軌道卻有許多微妙的差別。

那麼,我們該如何瞭解微觀的物理現象呢?最好的辦法,是設法找出巨觀模型中蘊涵的基本物理量。因為唯有這些基本物理量,才是放諸宇宙皆準,無論巨觀或微觀世界一律適用。例如物體的運動所產生的「動量」,就是最基本的物理量之一。「角動量」則是和動量同樣基本的另一種物理量,在巨觀世界中,它若對應於物體的自轉,在微觀世界對應的就是粒子的自旋。

換句話說,巨觀物體的自轉會產生角動量,而在微觀世界,雖然自轉失去意義,但是粒子仍可帶有角動量(通常叫作「內稟」角動量),這才是自旋真正的物理意義。

在量子力學中,自旋有許多分類與限制,在此就略去不提了。




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