量子自旋是微观世界中最基本也最神秘的特性，也是是微观粒子所具有的内禀属性。自旋不仅开启了现代磁学的黄金时代，使一个小U盘就能够存储大量的数据。还与核磁共振相关，探测分析人体内氢核自旋的信号，诊断疾病。量子自旋有哪些用途？零磁场核磁共振方向有哪些研究与发展？如何探测暗物质？

出品：格致论道讲坛

以下内容为中国科学技术大学教授彭新华演讲实录：

大家好，我叫彭新华，来自中国科学技术大学，从事量子信息领域的研究。今天想和大家一起分享的主题是在量子世界，或者说微观世界中，最基本、最神秘、也最难懂的一个特性——量子自旋。

很多人一听到量子，可能就会担心接下来的内容会听不懂。其实没有关系，著名的物理学家、量子力学的创始人玻尔曾经说过：“谁不对量子力学感到困惑的话，他就没有理解它。”因此，如果你有了困惑，说明你开始逐渐理解它了。

那么，就让我们一起来看看量子自旋到底是什么。

说到自旋，大家可能会马上想到自转。我们熟悉的地球就始终绕着它的自转轴转动着，还有小朋友们经常玩的陀螺、悠悠球等都有自转的现象。

而世界是由原子组成的，电子则是绕着原子核在做高速运动。那么，电子会不会有像地球那样的自转现象呢？科学家通过一个非常意外的发现，证实了电子存在类似于自转的现象。

1896年，著名的荷兰物理学家塞曼做了一个非常有趣的实验。他观测到钠原子的光谱在磁场中分裂成3条的现象，并且得到了很好的理论解释。这就是著名的塞曼效应。

第二年，普雷斯顿在塞曼的实验基础之上，对锌原子和镉原子做了同样的实验，但是观测到的却是不同的分裂情形。即分裂的谱线不再是3条，而是会有更复杂的分裂。这个反常的分裂把当时的物理界弄得很困惑。

在将近20年之后，荷兰两位非常年轻的物理学家乌伦贝克和古兹米特，提出了一个大胆的假设，即假设电子能像地球一样自转。这就是著名的电子自旋假设，而它很好地解释了刚才那个反常的谜团。

但是我们假想一下，如果电子真的自转起来会发生什么样的现象？

根据现在的测量数据，电子的半径尺寸是非常小的，远远小于1飞米（10－15米）。假定电子是一个电荷和质量均匀分布的带电刚性小球，我们把这样一个非常小的小球自转起来，通过计算，会发现它表面的线速度要远远超过光速。而这是不可能存在的，因为它违背了物理学的基本原理。这也就意味着电子的自旋并不等于自转。