旋转的粒子

( 德国物理学家奥托·斯特恩在实验室里工作 )

“旋转”是一个常见的动作，这个动作容易实现，也容易被感知，但是当旋转进入到微观领域，一个微观粒子旋转起来，又会有怎么的效果呢？这就和很多其他的微观现象一样，要受到量子力学的支配，从而变得令人捉摸不透。一个不停旋转的微观粒子对于物理定律和宏观世界有何影响？物理学家们现在仍然在研究这些问题。

对于旋转最直观的理解可能就是地球围绕着太阳运动，同时，这个近似于圆球形状的行星还在进行自转。无论是地球的公转和自转，都随时影响着地球上的生命而很容易被人类感知和理解。正因为如此，在一个世纪以前，当物理学家首次探明原子的内部结构，发现了外围的电子和原子核的存在，当时以卢瑟福为代表的很多物理学家都以各大行星围绕太阳进行公转来类比原子内部电子围绕原子核运动的方式。在这个原子模型中，原子核居中，电子有固定的轨道，沿着一个椭圆形轨道运转，俨然就是一个微型的太阳系。

这种略显粗糙的类比方式很快因为量子力学的发展而显得不再合适。这些亚原子粒子，并不是简单地被缩小了无数倍的小石子，它们具有奇异的量子性质。而此时再去思考微观粒子自身的旋转——“自旋”，就会带给人们更多的迷惑——如果这种现象不能与宏观世界中行星的自转相类比，那么粒子自旋的本质是什么，这种永不停歇的运动又是源自何处？近百年来，物理学家始终在探索粒子自旋的奥秘。

1922年，汉堡大学的物理学家奥托·斯特恩（Otto Stern）和沃尔特·盖拉赫（Walther Gerlach）在法兰克福进行了一系列经典的在后来被称为斯特恩－盖拉赫实验的测量实验，他们让一束粒子通过非均匀的磁场，观察它们的偏斜，却惊奇发现了这束粒子分裂为两束，这说明这些粒子自身带有不同的量子化的角动量，而且这些粒子似乎在永不停歇地旋转。在几年后，荷兰裔美国物理学家乔治·乌伦贝克（George Uhlenbeck）和萨穆埃尔·古德史密斯（Samuel Goudsmit）共同提出了电子自旋的假设，才解释了这个实验现象。现在，无论是量子理论还是化学研究，电子自旋都处于最基础的地位，电子自旋的概念已经成为物理学和化学研究的基础。

并不是只有电子才具有自旋，微观粒子都具有量子化的自旋，其中费米子（Fermions）具有分数倍普朗克常数的自旋，而玻色子（Bosons）则具有整数倍普朗克常数的自旋。质子作为一种费米子，与电子一样，也具有1/2普朗克常数的自旋，质子的自旋与它所携带的电量和它的质量一样，已经成为它自身的属性之一。这些年来，物理学家们一直在追问，这种永不停歇的自旋到底从何而来？

( 德国物理学家沃尔特·盖拉赫 )

质子具有内部结构，它是由三个夸克粒子组成，而这些夸克粒子之间由胶子传递的强相互作用维系在一起。因为夸克粒子自身也具有1/2的自旋，因此，物理学家们一开始怀疑，质子的自旋正是来自这三个夸克粒子，其中两个夸克粒子的自旋量相互抵消，这样，剩下一个夸克粒子的自旋外在也就表现为整个质子的自旋。但是这种理想化的猜测随后被证明不大可能，在1987年进行的一次实验中，物理学家们测量夸克粒子的自旋量在整个质子的自旋中所占的比例，结果显示，夸克自旋为质子自旋所贡献的自旋量只有25%，也就是说还有很大一部分的质子自旋找不到来源。这迫使物理学家们把目光转向质子中的维系夸克粒子聚合在一起的胶子上。胶子是一种玻色子，它具有整数的自旋，很有可能来自这些粒子的自旋是质子自旋的来源之一。

想验证一种猜测，最终需要实验的证实，这就需要质子在某种特殊的自旋状态下相互对撞进行检测。2014年7月4日，来自阿根廷布宜诺斯艾利斯大学、美国布鲁克海文国家实验室和德国图宾根大学的科学家们共同在《物理评论快报》（PRL）杂志上发表论文《质子中胶子的极化证据》（Evidence For Polarization of Gluons in the Proton），报告了他们利用美国布鲁克海文国家实验室的相对论性重离子对撞机（Relativistic Heavy-Ion Collider）进行自旋极化的质子对撞实验，进而发现胶子的自旋对于质子自旋产生影响的证据。

相对论性重离子对撞机可以使自旋极化的质子相互碰撞（欧洲核子中心的大型重子对撞机则没有这个功能），而质子内部的组成部分胶子又将直接参与对撞，在这种情况下，如果胶子确实对质子的自旋量有所贡献，那么不同自旋情况下的质子相互对撞，对撞的结果应该有所不同，也就是说，胶子对于方向有所选择。根据相对论性重离子对撞机的实验结果显示，质子的自旋性质确实会影响质子间相互对撞的结果，这也就证明了，胶子的自旋对于质子的自旋角动量确实有所贡献。而同时另一组科学家，“NNPDF”合作项目的科学家们也通过另外一种方式证实了这一发现。

科学家们首次证实了，胶子的自旋确实对于质子自旋有所贡献，但是这还仅仅是一个开头。胶子的自旋究竟怎样影响质子的自旋，这一点还不能确定。如果胶子的自旋仍然不能涵盖除了夸克外质子其余的自旋量，那么其余的部分只能来自夸克和胶子之间相对的自旋了。想要进一步探究质子自旋，就需要进行更大型的实验。计划在布鲁克海文国家实验室修建的电子－离子对撞机，就有可能在未来完成这个任务。另外，正如人们不能生硬地通过太阳系内行星围绕太阳运转而去类比电子围绕原子核运转一样，人们也不能因为“自旋”这个单词，就如同地球自转一样，去把这些亚原子粒子想象成一个个极其微小的、不停旋转的小球（这种情况下粒子表面的运动速度会超过光速，违反相对论）。

物理学家们至今仍然在探索亚原子粒子的本质，在低能量状态下，电子被认为是一种点状的、没有内部结构的基本粒子，这种费米子具有1/2的自旋；而质子则是由夸克和胶子构成的一种复合粒子，它具有复杂的内部结构，是一个有多个基本粒子构成的受量子力学支配的复合体，无法被简单描述。而无论是哪一种粒子，也都不能认为它们是真的在“旋转”。探索自旋的本质，仍然是一处物理学研究的活跃领域。

（本文参考了《科学美国人》杂志的报道） 粒子科学科普自旋电子电子自旋质子质量旋转对撞机夸克