科学家谈物理——自旋作为角动量,与普通三维空间中在旋转下的 行为有关,因此说自旋在某一特定方向的投影时,是指普通三维空间中的某

自旋 所有的粒子都有确定的自转性质,称为粒子的自旋.粒子自旋角动量可 以用一个自旋量子数 J 来定量描写,亦即角动量大小的平方等于 J(J+1)乘 约化普朗克常数的平方.粒子可以按自旋量子数 J 的取值分为两类: J 取非负整数 0,1,2,…时是玻色子; J 取非负整数加二分之一 1/2,3/2,5/2,…时是费米子. 粒子自旋角动量在运动方向的投影称为粒子的螺旋度.量子力学规律普 遍给出,自旋量子数为 J 的粒子的螺旋度可以取 J, J-1, …-J+1, 等 2J+1 -J, 个值.如果换成在另一个沿粒子运动方向以比粒子更高的速度运动的系统上 来观察,这时粒子的运动方向反过来了,粒子的螺旋度的值也将变号.但是 如果粒子的静止质量为零,则这种粒子只能以真空光速运动,并且其螺旋度 只能取 J 和-J 两个值.由于不可能通过换一个新的参考系统来观察而得到粒 子的螺旋度改变符号,这两个螺旋度状态实际上是互相独立的. 电子,质子,中子,中微子的自旋都是 1/2,其中电子,质子,中子都 有两个螺旋度,中微子的静止质量是零,实际上螺旋度只有-1/2 一个值.光 子,W 粒子,Z 粒子的自旋都是 1,其中 W 粒子,Z 粒子都有三个螺旋度,光 子的静止质量是零,螺旋度只有 1 和-1 两个值.π介子的自旋为零,当然只 有一个螺旋度.现在已经发现的粒子中具有的最大的自旋量子数 11/2. 重子数 电子是最轻的带一个单位负电荷的稳定粒子,质子则是带一个单位正电 荷的稳定粒子.电荷守恒要求电子如果能衰变的话,这个单位负电荷不能消 失,必须转移到衰变后产生的某个粒子上去,但是电子本身已经是带一个单 位负电荷的最轻的粒子,这样电荷守恒实际上决定了电子的稳定性.正电子 发现后,就提出了一个理论问题:质子并不是带一个单位正电荷的最轻的粒 子,为什么质子不能衰变为一个正电子和一个光子.质子的稳定性可以用存 在一个新的守恒量来解释,这个守恒量称为重子数.规定质子的重子数为 1, 但光子和正电子的重子数为零,质子是重子数为 1 的最轻的粒子,重子数守 恒决定了重子的稳定性. 中子的重子数也是 1.在中子衰变成一个质子,一个电子和一个反中微 子的过程中,电荷是守恒的,重子数也是守恒的.中子不带电,是一种中性 粒子,但中子的重子数是 1,这表明它不是纯中性粒子.中子的反粒子是反 中子,反中子也不带电,自旋量子数也是 1/2,但它的重子数是-1,重子数 把中子和反中子区分开了. 同位旋 质子和中子的质量相近 p = [m (938.27231±0.00028) MeV, n = m (939.56563 ±0.00028)MeV],自旋都是 1/2,重子数都是 1,它们参与强相互作用时, 耦合常数相近,行为也相近.它们的差别主要表现为所带的电荷不同,从而 电磁相互作用性质不同.它们质量的微小差别也可以归之于是与电荷不同有 关的.这种情况在π+ ,π0 ,和π- 介子之间也可以明显地看到,它们的质量 相近[mπ±=(139.56995±0.00035)MeV,mπ0=(134.9764±0.0006)MeV] , 自旋都是 0,重子数都是 0,它们的强相互作用性质相近.后来发现这个分族 相似的特性是能够直接参与强相互作用的粒子所具有的普遍特性.德国物理 学家海森伯(Wemer Karl Heisenberg)提出,由于质子和中子如此相似,我 们可以把它描写为一种粒子,即核子 N 的两个不同的带电状态.这就引进了 "同位旋"的概念;并且,在强相互作用中,同位旋守恒. "同位旋"是指在某种抽象空间中的"角动量",在概念上与"自旋" 的概念相似,只是它们隶属于不同的空间.同位旋和自旋有极大的相似性, 它们的数学结构完全相同,同位旋守恒的数学表述也和角动量守恒的数学表 述相同.它们的不同在于,自旋作为角动量,与普通三维空间中在旋转下的 行为有关,因此说自旋在某一特定方向的投影时,是指普通三维空间中的某 特定方向,在现实三维空间来看,这特定方向的选取并不固定,它可以是粒 子的运动方向,也可以是空间外磁场的方向,还可以是别的方法确定的某个 具体方向.然而,同位旋守恒定律的存在表示这抽象的同位旋空间尽管抽象, 仍具有现实的物理意义,当说同位旋在第三轴上的投影时,它的值和粒子所 带电荷有关.质子和中子统称为核子,核子是同位旋为 1/2 的粒子,它在第 三轴上的投影等于 1/2 时是质子,带单位正电荷;它在第三轴上的投影等于 -1/2 时是中子,不带电.π介子是一个同位旋为 1 的粒子,它在第三轴上的 投影取 1,0, 时分别是π介子的三种不同带电状态,即π+ 介子,π 0 介子, -1 - 介子. π 同位旋守恒定律的确立表明要对粒子的运动状态进行完全的描写,还需 引入更多的自由度.这些自由度通常称为内部自由度,同位旋自由度是人们 最先认识的粒子运动的内部自由度. 除了质量,寿命,电荷,自旋,重子数和同位旋以外,还有许多表征粒 子特性的物理量.这些物理量的取值反映了粒子参与的相互作用性质和行 为.粒子的不同直接反映在参与的相互作用性质和行为的不同