你会认为电子很容易描述。群众收费。很好去。这两个小数字可以用来描述一大堆电磁现象。但是研究人员已经知道这些粒子比这个复杂得多。
奥托·斯特恩和瓦尔特·格拉赫（Walter Gerlach）于1922年在一个不同的磁场中拍摄了一些银原子，并且看到了一些他们无法解释的东西。该装置需要电中性的银原子 - 其电子的电荷与质子的电荷完全平衡。如果你要进行这个实验而不了解量子力学（拉斯特恩和格拉赫），你可能会期望得到两个结果中的一个。[天文学和物理学中最重要的5个实验]
在最无聊的可能结果中，原子的中性将消除与磁场的任何相互作用，并且它们将直线航行通过设备而不会眨眼。
然而，如果原子的组成部分表现为像不仅有质量和电荷的小金属球，而且还可以在自己的轴上旋转，那么角动量确实会与周围的磁场相互作用，产生一个扭矩。这是一个完全正常和众所周知的电磁效应，你可以在家里尝试，假设你有强大的磁场和快速旋转的金属球。
由于每个原子在随机的方向上都有一个随机的转矩，所以这个相互作用将散开原子的轨迹，并在离开磁场后将它们泼溅在屏幕上。
斯特恩和格拉赫感到惊讶，因为他们都没有。
在路上叉
相反，两位德国科学家发现自己盯着银原子的两个不同的斑点。而不是直线前进，而不是平均展开，似乎银原子已经合谋将自己分成两个不同的阵营，一个队伍向上，另一个向下。
实验者目睹了亚原子领域的第一个在你面前的线索之一。在这种情况下，量子效应是完全有效的，研究人员很快意识到原子（或者更准确地说，包含原子的粒子）具有以前未知的性质，只有在磁场存在的情况下才会显现出来。
而且由于这些原子有点像电荷金属的旋转球，这个新的属性被称为“旋转”。所以像电子这样的粒子突然有三个属性：质量，电荷和自旋。
拿出来“旋转”
就像质量和电荷一样，我们可以进行实验来发现自旋属性的性质，以及它如何与宇宙中的其他力量和粒子相互作用。事实证明，旋转确实有一些非常奇怪的属性。
首先，特定粒子自旋的大小是固定的。根据定义，电子的自旋等于1/2。其他粒子可能有自旋为1，3/2，2，甚至为0，粒子自旋的大小决定了我们实际测量的旋转方向。
例如，像电子那样的自旋1/2粒子只能被测量为+1/2或-1/2，对应于斯特恩 - 格拉赫实验的向上和向下偏转。一个自旋1粒子，如光子，可以被测量方向+1,0或-1，就是这样。我知道这是令人困惑的符号，但是你必须责怪100年前首先描述它的物理学家。
请记住，旋转的实际方向可以指向任何地方 - 想象一下，在每个粒子上标记一个小箭头。箭头的长度是固定的每种粒子，但我们只允许测量有限数量的方向。如果箭头指向的位置稍微上升，它将在任何实验中注册为+1/2。如果它有点下降或者很低，那没关系，我们得到-1/2。就是这样。
这就像世界上最无用的GPS导航：不是给你准确的方向，而只是告诉你，“向北走500步”或“向南走500步”。祝你好运，找到这家餐厅。
把它达到极限
那正好是量子力学的本质：它从根本上限制了我们测量小尺度事物的能力。
经过充分的实验后，自旋的“规则”被添加到科学家对量子物理学的知识中，同时在20世纪20年代发展起来。但这并不是天作之合。大多数人所熟悉的量子世界的制定 - 比方说，着名的薛定谔波动方程，它允许我们计算粒子位置的概率 - 并不包括自旋的概念。
这个麻烦源于Erwin Schrodinger在计算所有这些量子业务时所采取的方法。到20年代初，爱因斯坦的狭义相对论已经是老话了，物理学家知道任何物理定律都必须包含它。但是，当薛定谔写出他的等式的相对正确版本时，他无法做出正面和反面的结论，并放弃了我们所知道和喜爱的不太正确但仍然可行的版本。薛定谔量子力学的图景虽然非常有用，但并不自动包含任何旋转的描述 - 它必须被不恰当地加以利用。
但与此同时，一位名叫保罗·艾德里安·莫里斯·狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac）的理论物理学家也在困惑着量子世界，并且对包括狭义相对论在内的量子力学的研究方法充满了内疚。而不像他的伙伴欧文，他能够破解数学代码，并找出其含义。把量子力学与狭义相对论结合起来的一个含义就是 - 你猜对了 - 旋转。他的数学自动包含了自旋的描述。如果他在斯特恩和格拉赫的实验之前几年就已经完成了这个工作，他本可以预测他们的结果！
相反，我们通过实验发现了量子自旋，但狄拉克教导我们，为了理解这个奇怪的粒子属性，我们必须把自己放在一个完全相对论的，量子的精神状态中。尽管很可能，但我们必须完全放弃任何亚原子粒子微小的旋转金属球的想法;他们的行为比隐喻所暗示的要复杂得多。事实上，可能根本就没有有用的比喻。
这种神秘的财产根本没有经典的描述。相反，自旋是我们宇宙的一个基本属性，只能在量子力学和狭义相对论的交集中出现，而没有宏观的隐喻。只有通过狄拉克的数学机制，我们才能对自旋行为做出预测，以便做物理学。因此，我们有一个不幸的例子来回答“旋转是什么”的问题。只是指向狄拉克的数学而耸耸肩。
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