微觀粒子的自旋及其應(yīng)用

尚仁成

摘要：本文先通俗地介紹我們?nèi)粘Ｉ钪杏龅降霓D(zhuǎn)動運動及其主要特征，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)向微觀粒子運動，介紹其不同于宏觀物體運動的特點，并說明需要一種新的理論—量子力學(xué)來描述微觀粒子的運動。在此基礎(chǔ)上，再介紹微觀粒子的轉(zhuǎn)動運動及其自旋。最后，簡單介紹自旋在若干方面應(yīng)用的例子。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)動；宏觀與微觀；自旋；量子力學(xué)描述

一、在高速轉(zhuǎn)動的世界中生活

“不識廬山真面目，只緣身在此山中?！比绻銓δ愕呐笥颜f我們無時無刻不處在一個高速轉(zhuǎn)動的世界中，有的朋友會認(rèn)為你神經(jīng)系統(tǒng)出了毛病，其實是你的朋友自己有問題。

我們都住在地球上，日復(fù)一日、年復(fù)一年地跟著地球以每小時1674公里的速度（赤道附近）繞地球自轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動著。這比最快的汽車速度還要快十倍以上，算起來差不多一晝夜轉(zhuǎn)40073公里，恰好是詩人說的“坐地日行八萬里”呀！地球一年還要繞太陽轉(zhuǎn)一大圈，這一圈是九億多公里，每小時差不多要跑十萬零八千公里，比孫悟空一個跟斗的距離還大一倍?，F(xiàn)在的小學(xué)生都知道，每天的日出日落說明地球在自轉(zhuǎn)。

如果不是偉大的科學(xué)家哥白尼等人的貢獻(xiàn)，這種日出日落現(xiàn)象也許會長期被解釋為太陽繞地球轉(zhuǎn)動。在看不見太陽的陰天和夜間怎么知道我們和地球在一起轉(zhuǎn)動呢？聰明的人們曾設(shè)計了各種物理實驗來觀察和證明地球自轉(zhuǎn)。

例如，在一座精心設(shè)計的完全垂直于地面的高塔頂上，選一個風(fēng)平浪靜的天，從塔頂沿塔的東西墻面中線垂直落下一個很重的鉛球。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鉛球落地時，總不落在塔基的正中，球落點總要在塔基中心線向東偏一點（如200米高的塔，大概偏移為5厘米），使人覺得這個高塔像比薩斜塔那樣不垂直于地面，是塔建歪了嗎？不是。這是因為塔和地球在一起由西向東轉(zhuǎn)動，塔尖離過地心的轉(zhuǎn)軸的距離比地面離轉(zhuǎn)軸的距離更大，因此塔尖（以及放在塔尖的鉛球）繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的線速度比地面轉(zhuǎn)動的線速度大。當(dāng)鉛球脫手下落時，除了受地心引力垂直下落外，還要帶著這一點線速度的差別，所以總要向東偏一點。這個實驗比較直觀地證明了地球在自轉(zhuǎn)。其他的試驗，像大學(xué)物理都要講的、并在許多天文館展出的傅科擺，也能很形象地說明地球的自轉(zhuǎn)。

我們在高速轉(zhuǎn)動的地球上會受到多種力的作用，你可能首先會想到，隨地球高速轉(zhuǎn)動，人們會受到慣性離心力作用。我們在夏天能穩(wěn)坐在樹蔭下的沙發(fā)椅上乘涼，說明圓周運動產(chǎn)生的慣性離心力和地球?qū)ξ覀兊奈暗孛鎸ξ覀兊姆醋饔昧ハ嗥胶狻?/p>

因此，我們既沒有離心力將我們向外拋的感覺，也感覺不到地球的向心力將我們向里吸。除此以外，如果我們在高速轉(zhuǎn)動的世界中運動，還會受到一種特有的力，這種力叫作科利奧里力。

在北半球，從西向東運動的物體會受到一個向運動方向右側(cè)偏轉(zhuǎn)的力，這就使從西向東流的河流右岸（順著河流流動方向觀察）受到更嚴(yán)重的沖刷。一水盆裝滿水，若在盆底開一個口，水迅速往外泄漏時，會在水面上產(chǎn)生一個旋渦，而且在南半球和北半球旋渦旋轉(zhuǎn)方向不一樣。這也是由于科利奧里力的作用，水從不同方向流向開口處，流向不同受到的科氏力的方向也就不同，這樣就會形成旋渦。

其實，我們前面舉的從塔頂?shù)粝裸U球向東偏移的例子，也可理解為鉛球在塔尖和在地面的轉(zhuǎn)動角動量（見下文）發(fā)生了變化，只有鉛球受到一個力矩的作用才能發(fā)生這樣的變化，這個力矩正是由西向東的科利奧里力提供的。

一個物體繞某一點或一個軸作圓周運動，它具有動量和動量矩。人們通常也將動量矩叫作角動量。物體繞著過自身的軸轉(zhuǎn)動，就稱它具有的角動量為自旋角動量，常常簡稱為自旋。

本文中我們將反復(fù)地和自旋打交道。物體運動的角動量可以規(guī)定為一個向量（矢量），它的大小由轉(zhuǎn)動物體的轉(zhuǎn)動慣量（與之對比，作直線運動物體有慣性，也可叫作慣量）及轉(zhuǎn)動速度決定。如果將右手伸開，四個手指微微順著轉(zhuǎn)動方向彎曲，那么大姆指所指的方向就是角動量矢量的方向。角動量的大小和方向都不會輕易改變，只有受到一定的外力矩時才會改變。沒有外力矩作用時角動量是不變的，這就叫角動量守恒。

輪船在大海中長期航行時怎么知道它自身的位置呢？怎么導(dǎo)航呢？用什么做參照物呢？若是晴朗的夜空還可以靠特定的一組星星（如北斗星）的方位來確定航行方向，但若是趕上看不見星空的天氣或是潛入水下的潛艇就毫無辦法了。輪船導(dǎo)航長期使用的辦法是陀螺導(dǎo)航儀，高速旋轉(zhuǎn)的陀螺在船只航行過程中始終保持角動量方向不變，由它可確定輪船前進(jìn)的方向。

二、離經(jīng)叛道的微觀粒子

著名球星邁克爾·喬丹能夠以很高的成功率將對方擲出的籃球阻斷，是因為他牛頓力學(xué)“學(xué)得好”，只要他準(zhǔn)確知道籃球此時此刻的位置和速度（包括方向），就可以知道下一秒鐘籃球會在什么位置，準(zhǔn)時地跳到那個位置就可以抓個正著。將籃球換成足球、壘球或更小的乒乓球，它們還是有同樣的運動規(guī)律，都服從牛頓力學(xué)的規(guī)律。

如果我們將球不斷地變小，會發(fā)生什么變化呢？會不會出現(xiàn)哲學(xué)家說的量變到質(zhì)變呢？著名哲學(xué)家黑格爾舉過一個例子，給一頭毛驢背上的袋子添加谷子，一粒一粒地加上去，開始的很長一段時間，毛驢都不會感到有多大變化。不斷地加下去，袋子越來越重。當(dāng)加到某一粒谷子時，毛驢終于承受不住而被壓倒了，這就是從量變到了質(zhì)變。

當(dāng)我們將球做得只有一個小分子（或者所有比分子還小的粒子，這種粒子我們統(tǒng)稱為微觀粒子）那么大時，奇跡就發(fā)生了。我們?nèi)绻_定分子某時某刻的準(zhǔn)確位置，就完全不知道它的動量（速度）。這不是因為我們受測量技術(shù)的限制，而是從原理上就根本無法測量。

反過來，如果準(zhǔn)確地知道了分子的動量，就完全不知道它在什么地方，即不能同時準(zhǔn)確知道微觀粒子的位置和動量。這時，即使是比喬丹高明十倍的運動員或是十分聰明的科學(xué)工作者，也難以抓到一個具體的微觀粒子了。

我們都知道光是一種波，它能像水波一樣發(fā)生干涉、衍射等波動現(xiàn)象。我們看見的肥皂泡或水面漂浮的油膜呈五顏六色，這就是光波干涉的結(jié)果。我們還知道光會產(chǎn)生光電效應(yīng)。即便很弱的光，只要波長夠短（紫光比紅光波長更短），就能從金屬表面打出一個一個的電子。常見的光電管就是光照產(chǎn)生電流的一種元件。

因此，愛因斯坦1905年提出光波是由一個一個的粒子（光量子）組成的。這是一個劃時代的推斷。這一推斷解決了20世紀(jì)初物理學(xué)存在的一個重大疑難問題，因此，愛因斯坦獲得了1921年的諾貝爾物理學(xué)獎。

既然光可以又是粒子又是波，那么其他微觀粒子呢？法國科學(xué)家德布洛意1924年提出所有微觀粒子既是粒子又是波，即有所謂的波和粒子二象性。這種波和一般的水波、聲波一樣，也會產(chǎn)生干涉和衍射等波動現(xiàn)象。但又不完全一樣，我們所見到的水波、聲波是由大量水分子或空氣分子組成的，是由這些分子位移或密度變化產(chǎn)生的波。干涉、衍射也是在大量分子存在的情況下產(chǎn)生的。

而德布洛意波是和每一個微觀粒子相聯(lián)系的特殊的波。例如，讓一束電子束通過兩條很窄的縫照到熒光屏上，會在熒光屏上看到像光波干涉那樣明暗相間的干涉條紋，這是由電子的波動性產(chǎn)生的。更奇怪的是，當(dāng)電子束流弱到電子一個一個地通過雙縫時，仍可得到熒光屏上的干涉條紋（只要記錄時間夠長），也就是說每個電子自己和自己干涉，這就不同于宏觀波的干涉了。

一個壘球質(zhì)量若為m，運動速度為v，我們就知道這個壘球的動能為mv2/2。壘球放在離地面高度為h的地方，具有勢能（或叫位能）mgh，這里g為地球?qū)厩虻奈Ξa(chǎn)生的重力加速度。動能和位能之和就是小球的總能量。速度v或高度h隨意變化一點點，總能量也就變化一點點，這個一點點可以是任意小的。因此我們就說宏觀的小球的能量是可以連續(xù)變化的。微觀粒子也有動能、位能及總能量，但和宏觀的小球不同，這些微觀粒子的能量在一定條件下（如束縛在原子中的電子）是不能連續(xù)變化的，它們只能在一些特定的軌道（這里我們是借用宏觀物體經(jīng)典運動的術(shù)語，并非嚴(yán)格意義上的軌道）上運動，每一條軌道對應(yīng)一特定的能量。

普朗克常數(shù)是一個與能量相關(guān)的很小的常量h（h=6.626×10-34焦耳.秒，是一個很小的量），例如，光波的頻率若為ν，則每個光子的能量就為hν。用h作單位來度量這些微觀粒子的能量，能量值只能為某些特定數(shù)值，不能取任意值。因此我們說微觀粒子的能量是量子化的。牛頓力學(xué)可以完全描寫宏觀物體的運動，與之對應(yīng)的，需要一個全新的學(xué)科—量子力學(xué)來描寫微觀粒子的運動。

三、微觀粒子的高速轉(zhuǎn)動

微觀粒子既然有波—粒二象性，是否仍能高速轉(zhuǎn)動呢？這種轉(zhuǎn)動和宏觀物體的轉(zhuǎn)動有什么不同特點呢？事實上，整個世界都有其微觀結(jié)構(gòu)，即組成各種物質(zhì)的基元是各種性質(zhì)不同的分子。

水由水分子組成，食鹽由氯化鈉分子組成，分子又是由若干個同種或不同種的原子組成。例如，水分子由兩個氫原子和一個氧原子組成，氧分子則由完全相同的兩個氧原子組成。每個原子則由一個原子核和繞原子核運動的一個或多個電子組成，電子運動“軌道”（這里還是借用宏觀物體經(jīng)典運動的術(shù)語）的尺度決定原子的尺度。原子核的直徑大概比原子的直徑小一萬倍，但它的質(zhì)量卻比外面那些電子質(zhì)量的總和大上千倍。

原子核又是由幾個到幾百個質(zhì)子和中子組成。這些質(zhì)子和中子又可統(tǒng)稱為核子。一個原子核中的這些核子除了繞著它們共同的質(zhì)心做振動與轉(zhuǎn)動運動外，每個核子自身還做自轉(zhuǎn)運動，即每個核子都有自旋。質(zhì)子、中子和電子都具有較長的壽命。高速運動的質(zhì)子、中子或電子具有很高的能量，這些高能量粒子在相互碰撞時，還會產(chǎn)生許多新的短壽命的微觀粒子。質(zhì)子和中子以及這些碰撞產(chǎn)生的短壽命粒子又是由更小的單元—夸克組成的。從分子到夸克，構(gòu)成微觀世界的這些粒子統(tǒng)稱為微觀粒子。

這些微觀粒子是否也會高速旋轉(zhuǎn)呢？從分子到夸克，雖然大小相差7～8個數(shù)量級，但是都在做高速轉(zhuǎn)動運動。分子中的原子繞它們的質(zhì)量中心做振動和轉(zhuǎn)動運動。原子和分子中的電子繞核心做軌道轉(zhuǎn)動運動。電子本身還做自轉(zhuǎn)運動。原子核中的核子也圍繞所有核子共同的質(zhì)心做振動與轉(zhuǎn)動運動。組成各種粒子的夸克也做“軌道”運動。除了做“軌道”運動外，所有這些微觀粒子也都在做自轉(zhuǎn)運動。因此，和每一個微觀粒子相連的都有一個做軌道運動的角動量，簡稱軌道角動量，和一個自旋角動量，簡稱為自旋。

一個宏觀的小球若圍繞一中心點轉(zhuǎn)動，小球質(zhì)量若為m，線速度為v，離轉(zhuǎn)動中心的距離為r，則小球轉(zhuǎn)動的角動量為rmv。因為v和r都是可以連續(xù)變化的，所以宏觀小球的角動量也是可以連續(xù)變化的。和能量不能連續(xù)變化一樣，微觀粒子轉(zhuǎn)動的角動量也是不能連續(xù)變化的，即角動量的大小也是量子化的。

所有粒子都有自旋（有的粒子自旋為零），自旋角動量的大小也是量子化的，不能取任意值。可以用一個數(shù)值J來標(biāo)記轉(zhuǎn)動角動量的大小，這個數(shù)值稱為軌道角動量量子數(shù)，它只能為一些特定的數(shù)值（整數(shù)或半整數(shù)），轉(zhuǎn)動角動量=，這里=h/2π是為了計算方便引入的。同理用另一個數(shù)S來標(biāo)記自旋角動量的大小，它也只能取1/2，1，3/2…等一些特定的數(shù)值，自旋角動量= 。

有的粒子自旋可以相當(dāng)快。例如，原子核在發(fā)生碰撞（核反應(yīng)）過程中，自旋角動量量子數(shù)可以達(dá)到65以上，原子核差不多每秒要轉(zhuǎn)1022轉(zhuǎn)。不過原子核的半徑只有幾費米（1費米=10-15米），如果按剛體轉(zhuǎn)動估算，可以算出原子核的表面的轉(zhuǎn)速可達(dá)到光速的十分之一左右。

電子的自旋量子數(shù)為1/2，即自旋角動量為 。從經(jīng)典電磁輻射估計的電子的經(jīng)典半徑為2.8×10-15米。電子的質(zhì)量已知道為0.51MeV/C2（由愛因斯坦的相對論，質(zhì)量m總是通過E=mc2和能量聯(lián)系在一起的）。假定電子是電荷和密度均勻分布在半徑為2.8×10-15米的小球內(nèi)，要達(dá)到 這樣的自旋角動量，則電子表面的轉(zhuǎn)動線速度應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過光速。這是與物理學(xué)的基本原理（相對論認(rèn)為任何物體的運動速度不能超過真空中的光速）相違背的。

實際上，當(dāng)代最新測量表明，精確到10-16m時還測不出電子的大小，也就是說電子即便有半徑，也是小于10-16m的。比經(jīng)典估計的半徑更小。要達(dá)到那樣大的自旋角動量，就要轉(zhuǎn)得更快。電子的自旋角動量到底是怎么來的呢？這至今還是一個謎。通常解釋說微觀粒子具有內(nèi)稟自旋（也就是固有的自旋），科學(xué)發(fā)展到現(xiàn)階段，還不能回答內(nèi)稟自旋是怎么來的。

角動量不僅有大小，而且還有方向，因此角動量是一個矢量。宏觀物體繞一個固定軸轉(zhuǎn)動，角動量的方向就是沿這個定軸并與轉(zhuǎn)動方向構(gòu)成右手螺旋。宏觀轉(zhuǎn)動的角動量方向可以隨意選擇。例如，玩具陀螺的轉(zhuǎn)軸可以垂直于地面，也可以和地面有一個小于90度的夾角，這個夾角是可以連續(xù)變化的。和宏觀轉(zhuǎn)動不同，微觀粒子轉(zhuǎn)動的角動量方向不能任意選擇，只能朝向一些特定的方向，即角動量的方向量子化的。

例如，選定一個特定的方向作為我們考慮問題的參考方向（通常這個方向可以選電場方向、磁場方向或粒子運動方向，將選定了的方向稱為量子化軸），電子自旋角動量的方向就只能與選定的方向平行或反平行。當(dāng)然，如果是別的粒子，自旋是1或更大，自旋可取的方向更多一些，但也是有限的幾個方向。自旋為S的粒子，可取2S+1個方向。

小磁鐵構(gòu)成的世界：與每一種轉(zhuǎn)動角動量（動量矩）相聯(lián)系的都有一個磁矩，磁矩的大小是和角動量大小成正比的，而其方向則是和角動量的方向相同或相反的。這樣的一個磁矩就像一個具有南北極的小磁鐵。對于帶電粒子的轉(zhuǎn)動，這個磁矩可以理解為由帶電粒子所帶電荷的轉(zhuǎn)動形成的電流產(chǎn)生的磁矩。但是，中子完全不帶電，中子的自旋運動也有與之相聯(lián)系的磁矩，這種磁矩是怎么產(chǎn)生的，又是一個令人費解的問題。這種磁矩稱為“反常磁矩”，來自于中子和另一種微觀粒子π介子的強相互作用。大量的微觀粒子自旋朝同一方向排列叫順排，順排是形成磁鐵及其他磁性材料的物理基礎(chǔ)。

四、自旋的杠桿作用

宏觀的高速轉(zhuǎn)動能推動科學(xué)和社會進(jìn)步。微觀粒子很小，其轉(zhuǎn)動影響是否也是微小的呢？中國的乒乓外交是用小球推動大球，推動世界進(jìn)步。和乒乓外交一樣，微觀粒子的自旋能量雖小，卻也是推動科學(xué)與世界進(jìn)步的一個巨大的杠桿。從生活到科學(xué)的豐富多彩的世界中，到處都可以看到微觀粒子轉(zhuǎn)動及自旋的影響。

1.看立體電影的學(xué)問

你到立體電影院去看立體電影時（一些家庭也有立體電視了），能夠看到電影中的籃球向你頭上直飛而來，你會不由自主地伸手去阻擋這個虛擬的籃球……你想到過這也和自旋有關(guān)嗎？

構(gòu)成極弱的光線的光子數(shù)也有成萬上億個，這些光子都有自旋。這些光子自旋方向排列方式不同，就可以構(gòu)成不同性質(zhì)的偏振光（線偏振、左旋圓偏振、右旋圓偏振、橢圓偏振等）。立體電影就是利用了偏振光才能獲得虛幻感覺。

人以左右眼看同樣的對象，兩眼所見角度不同，在視網(wǎng)膜上形成的像并不完全相同，這兩個像經(jīng)過大腦綜合以后就能區(qū)分物體的前后、遠(yuǎn)近，從而產(chǎn)生立體視覺。立體電影拍攝時以兩臺攝影機仿照人眼睛的視角同時拍攝，在放映時亦以兩臺投影機同步放映至同一塊銀幕上，以供人的左右眼觀看。放映立體電影時，兩臺投影機以一定方式放置，并將兩個畫面點對點完全一致地、同步地投射在同一塊銀幕內(nèi)。在每臺投影機的鏡頭前都必須加一片偏光鏡，一臺是橫向偏振片，一臺是縱向偏振片。這樣銀幕就將不同的偏振光反射到觀眾的眼睛里。觀眾觀看電影時亦要戴上偏振光眼鏡，左右鏡片的偏振方向必須與投影機搭配，如此左右眼就可以各自過濾掉不合偏振方向的畫面，只看到相應(yīng)的偏振光圖象，即左眼只能看到左機放映的畫面，右眼只能看到右機放映的畫面。這些畫面經(jīng)過大腦綜合后，就產(chǎn)生了立體視覺。

2.核磁共振掃描

你想檢查腦部或身體其他部位是否有腫瘤或其他病變嗎？你可做CT檢查，它是靠身體器官不同部位密度不同，從而對X射線的吸收不同來成像的。這種成像是用多束準(zhǔn)直得很細(xì)的X射線束對身體內(nèi)的某一薄層掃描，通過計算機計算處理，先對這一薄層成像。然后再一層一層地做，從而得到身體某一部位（或全身）的三維圖像，所以叫作計算機斷層掃描（即CT， computerized tomography）。

但有時密度很高的骨頭可能擋住有腫瘤的部位（如腦部），使CT掃描受到影響。這時，最好的辦法是去做一個核磁共振掃描。核磁共振（即NMR，nuclear magnetic resonance，現(xiàn)在也叫MR）就是利用原子核的自旋來成像的儀器。

原子核（如身體中的水分子中的氫原子核）有自旋，也就是一個個的小磁鐵（磁矩）。加一個外磁場，原子核的小磁矩就會在外磁場中轉(zhuǎn)動方向。原子核將其磁矩的北極轉(zhuǎn)向外磁場的南極，南極轉(zhuǎn)向外磁場的北極。這是整個系統(tǒng)最穩(wěn)定的狀態(tài)，也就是能量最低的狀態(tài)（稱為基態(tài)）。如果再外加一個高頻電流，這個高頻電流會發(fā)射電磁波。發(fā)出的電磁波的能量也是一份一份的，也是量子化的。這種量子和光量子一樣，與電磁波頻率成正比，每個量子的能量為hν，這里ν為電磁波的頻率。如果調(diào)節(jié)電磁波的頻率，可以使這樣一份能量的大小正好和要測的原子核在磁場中從基態(tài)到較高的能量狀態(tài)（稱作激發(fā)態(tài)）的能量差相同。對于氫原子核，因為它的自旋為1/2，所以，它在磁場中只有兩個取向，對應(yīng)兩種能量狀態(tài)，將基態(tài)稱為下能級，將激發(fā)態(tài)稱為上能級。一方面，電磁波的量子能量，和上下能級的能量差相同時，高頻電磁場發(fā)出的能量就會被原子核吸收，這種吸收稱為共振吸收。這種調(diào)節(jié)高頻電流頻率的方法稱為掃頻法。另一方面，所加直流磁場強度不同，即使對同一種原子核下能級和上能級的能量差也不同，它們吸收電磁波的頻率也不同，這種依靠調(diào)節(jié)直流磁場強度來實現(xiàn)共振吸收的方法稱為掃場法。

多數(shù)醫(yī)院用的核磁共振儀都是采用掃場法。固定高頻線圈的頻率，而用梯度線圈提供的有一定空間分布的直流磁場，來實現(xiàn)一定區(qū)域的共振吸收。原子核吸收高頻電磁波后，到達(dá)上能級，不斷吸收電磁波，上能級就會飽和，所以上能級還要通過不斷地釋放能量使其回到下能級，共振吸收才能持續(xù)進(jìn)行。從上能級釋放能量回到下能級的過程叫作弛豫，弛豫快慢與原子核所處的環(huán)境（如晶格結(jié)構(gòu)）及兩個相鄰原子核之間的自旋耦合有關(guān)，分別用兩個參數(shù)T1和T2來標(biāo)記這兩種弛豫過程。高頻電磁波被人體各部位吸收后，檢測其釋放的能量強度、頻率及T1、T2等，結(jié)合梯度場的空間編碼，就可知道氫原子核的密度分布及其在人體內(nèi)的狀態(tài)的分布情況（也就對應(yīng)水分布）。

目前已對生物組織的病變與其水含量的分布關(guān)系做過廣泛的研究，病變會使組織內(nèi)的水含量分布發(fā)生變化，從而可通過水分布的變化找出病變的部位。

不同原子核共振吸收的頻率是不同的。由不同頻率的高頻電磁波也可研究人體其他種類的原子核在人體內(nèi)的分布情況。目前，除氫原子核外，對其他原子核的研究尚在試驗中，還未達(dá)到臨床應(yīng)用階段。

3.自旋與量子計算

由于量子力學(xué)的推動，產(chǎn)生了當(dāng)代的電子技術(shù)，有了功能無比強大的計算機及當(dāng)代的通訊技術(shù)。而且這些技術(shù)正在日新月異地發(fā)展著。例如，計算機用的芯片速度差不多每十八個月要提高一倍，這就是著名的摩爾定律。這些高新技術(shù)是否會沿著這條路無限制地發(fā)展下去呢？

科學(xué)對當(dāng)代技術(shù)的發(fā)展提出了警告：此路不通！提醒人們，再沿這個方向發(fā)展下去，前面有不可逾越的障礙。計算機是以大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)的，集成電路是將成千上萬個晶體管做在同一塊硅片上，通過硅晶片內(nèi)部連接成為完整線路。要想提高計算機的計算速度，這些晶體管就要越做越小。小到一定程度會發(fā)生量變到質(zhì)變，晶體管就不能工作了。因為它碰到了量子力學(xué)設(shè)置的障礙。

這又要從微觀粒子的特性說起了。一個人如果只能跳一米五高，修一圈三米高的圍墻就可以將他長期困死在圍墻內(nèi)。春秋戰(zhàn)國時期，英明一世的齊桓公在晚年時就是被為了奪權(quán)的奸臣們用這個辦法在王宮周圍筑高墻圍困而死的。微觀粒子就不一樣了，一個能量只有2eV（微觀物理中，常將一個電子在電場中經(jīng)過1V的電壓所獲得的能量作為能量的一個基本單位，即一電子伏—1eV）的電子，筑一圈4eV高的圍墻是否就能將電子長期圍在里面呢？答案是不行，因為微觀粒子有二象性，它也就有了穿墻的本事，量子力學(xué)中叫作位壘穿透。

在圍墻外也有一定的幾率能發(fā)現(xiàn)電子。而且圍墻越薄、越低，電子穿過圍墻的幾率就越大。集成電路中，為了保證各晶體管能獨立工作，不互相干擾，也要修一個這樣的圍欄（或叫隔離位壘）。當(dāng)晶體管越做越小時，這種位壘就會越來越小，越來越薄，最后電子就能隨意穿越位壘，使集成電路完全不能正常工作。這就使集成電路的發(fā)展遇到了不可逾越的量子屏障。

為了越過這個屏障，近年來提出了多種發(fā)展計算機和通訊技術(shù)的辦法。其中量子計算和量子通訊最受關(guān)注。目前在量子計算的各種設(shè)計方法中，核磁共振方法發(fā)展最快。核磁共振方法可以利用一些大分子中的某種原子核（如氫原子核）的自旋的方向來作為量子計算的基本單元—量子位。量子位等價于現(xiàn)有計算機中的二進(jìn)制的位，但有目前計算機所不具備的特殊功能。量子通訊涉及量子力學(xué)更深入的問題，我們這里就不贅述了。雖然量子計算和量子通訊要達(dá)到實用階段，還有很長的路要走，但無論如何它使人們看到了希望。我們也看到，自旋在這條發(fā)展路上起了至關(guān)重要的作用。

4.自旋電子學(xué)

從人類發(fā)明了電以后，中學(xué)生都知道，導(dǎo)電都是靠電荷在導(dǎo)體、半導(dǎo)體或液體中運動（相位的運動）來完成的。即依靠電荷的流動來導(dǎo)電，來傳遞信號。

近年來正在醞釀著電子學(xué)的一場革命—自旋電子學(xué)的出現(xiàn)。假定有兩束等量的電子流動，一束從右向左流，一束從左向右流。從傳統(tǒng)的電流的概念來衡量，導(dǎo)體中沒有凈電流。但如果向左流的一束電子全部自旋向上，而向右流的一束電子全部自旋向下會如何呢？我們知道正電荷向左流等價于負(fù)電荷向右流，同理，自旋向上向左流的電子等價于自旋向下向右流的電子。

這樣，在導(dǎo)體中雖沒有凈電流流動，確有凈的自旋流。如果我們能依靠自旋流來傳遞信號，半導(dǎo)體器件就可以在沒有電流的情況下傳遞信號。電流造成的功率損耗就可以減到極小的程度。

本文通俗、簡要地介紹了宏觀物體和微觀粒子運動的特點，以及它們具有的不同運動規(guī)律，需要不同的理論（即牛頓力學(xué)和量子力學(xué)）來描述。在此基礎(chǔ)上著重介紹了宏觀物體和微觀粒子的轉(zhuǎn)動，特別介紹了微觀粒子的自旋以及自旋的若干應(yīng)用，包括已大量在日常生活中應(yīng)用的立體電影（電視），醫(yī)用核磁共振掃描儀，將來可能實現(xiàn)的量子計算與量子通訊，以及在電子學(xué)方面醞釀著的一場革命—自旋電子學(xué)的出現(xiàn)。