电子自旋的由来

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说到自旋,就不得不把泡利给请出来(他是个有着”毒舌“称号的人)。1921年,泡利在导师索末菲的帮助下终于拿到了哲学博士学位,而这时候的海森堡则更像是一个年轻的小学弟,他也师从索末菲,不过这才是他的第一年。

海森堡的确很聪明,在1924年的时候,他已经独立创立了一套符号,去解释波尔的“原子结构模型”——而这正是后来鼎鼎大名的矩阵力学的原版。不过即使聪明如海森堡,却也经常遭受泡利的臭骂。海森堡在获得诺奖后,曾笑着对记者坦言泡利不止一次地骂他“你是个彻头彻尾的蠢驴”。

然而这个“蠢驴”却先于他的师兄做出了重大发现,这当然让泡利很是郁闷。不过,几个月后(确切的时间是1925年1月16日),泡利终于还是提出了著名的“泡利不相容原理”。大意是说,原子中不能同时容纳两个运动状态相同的电子,泡利认为电子有四个自由度,除去电子层、电子亚层、电子云伸展方向三个自由度外,还有第四个自由度,可这第四个自由度究竟是什么他自己也一直搞不清楚。

泡利曾设想过电子是不是有自旋这个问题,可他很快否定了自己的想法。因为理论上讲,自旋电子的边缘线速度超过了光速,这根本就违背相对论,属于大逆不道。

几乎同时的时间,美国的物理学家克罗尼格也提出了电子自旋的想法,他急切地想与泡利讨论,可泡利认为电子自旋是一种毫无根据的假设,他说:“你的想法很聪明,但大自然并不喜欢它”。于是,克罗尼格胆怯了,相信了泡利的话。然后就是,这样一个重大的发现竟这样与他擦肩而过了。

俗话说“东边不亮,西边亮”,克罗尼格(Ralph Kronig)的确不幸,但隐藏在自然中的秘密终究要被揭示。同年的十月,乌伦贝克和高斯密特已经摩肩擦掌,电子自旋——这个被泡利(Wolfgang E.Pauli)视作经典力学中的怪物,终于还是在这个新奇的世界扎下根来了。spin1

现在我们把目光转向荷兰的莱登大学(Leiden University),1925年6月, 在伟大的物理学家埃伦费斯特(Paul Ehrenfest)的劝说下,本想要转行从事历史研究的乔治·乌伦贝克(George Uhlenbeck)勉强答应做了他的研究助手。同年夏天,高斯密特(S.A. Goudsmit)也被请来,负责教授乌伦贝克有关光谱学的知识。

二人定期在海牙聚会,高斯密特同他交流的当然是些原子光谱结构之类的东西,不过乌伦贝克也会向高斯密特灌输些经典物理的知识。到了夏天快要结束的时候,二人已经隐约地感觉做出了一个重大的发现,他们推想“泡利不相容原理”所指出的电子的第四个自由度应该是自旋!

他们两人激动不已,埃伦费斯特很赞赏他们的观点,建议他们写成论文。很快,他俩将写好的短文交给埃伦费斯特,请求他给推荐到《自然》杂志发表。然而,对于自旋背后真正的物理意义,二人其实并不理解,他们很想去听听当时的物理学权威——洛伦兹(Hendrik Antoon Lorentz)的意见。不过,高斯密特因为要去阿姆斯特丹,于是乌伦贝克准备只身前去请教洛伦兹。

洛伦兹答应帮他们想一想,请他一周以后再来。等到乌伦贝克再次登门时,洛伦兹拿出很厚的一叠稿纸,上面密密麻麻写满了算式。洛伦兹对他说:“是的,这(电子自旋)是困难的,它会导致电子的自能出现错误”。

于是,他们急忙跑去找埃伦费斯特,请求老师拿回稿子。但是埃伦费斯特早已把稿子寄给了《自然》杂志,杂志社已经同意发表且已排版准备印刷了。乌伦贝克和高斯密特简直懊恼极了,埃伦费斯特安慰他们还年轻,做点蠢事不要紧。他原话说:“这是个很好的想法,尽管它可能错了。不过既然你们都还没有名声,那其实也没失去什么。”

然而,当文章登出后第二天,海森堡(Werner Heisenberg)就写信给他们,对于他们的勇气给予鼓舞。恰巧当时,莱登大学正举行活动——庆祝洛伦兹得到博士学位50周年。爱因斯坦和波尔也前去祝贺,他们也听说了乌伦贝克和高斯密特的工作,并对他们大加赞赏。很快,整个物理学界似乎都接受了这个观点,但有一个人仍坚持反对,你没猜错,这个人就是泡利。

后来,波尔邀请乌伦贝克和高斯密特去哥本哈根,当高斯密特要乘火车返回海牙时,波尔建议他可否先停道汉堡,去和泡利解释一下自旋问题。可糟糕的是,高斯密特本人对电子自旋也没能完全搞透,他自然不能说服泡利。不过,再后来,他收到了一张来自泡利的明信片,上面说他已经接受了自旋。

当然,因为乌伦贝克天才般地想出了电子自旋这一东东,也最终促使他放弃了成为一名历史学家的念头。

来源:环球物理

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