Скачать или смотреть 134｜彭新华：原本15万年才能解决的问题，有了它只需要一秒｜中国科学技术大学｜格致SELF

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原本15万年才能解决的问题，有了它只需要一秒

自旋的发现与发展，在物理学史上是一段极其辉煌的历史，与其直接相关的诺贝尔奖就有十多次。
然而，我们对神秘的自旋还没有完全了解清楚。

自旋是微观粒子所具有的内禀属性，它不仅开启了现代磁学的黄金时代，还与核磁共振相关，通过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？

演讲者：彭新华 中国科学技术大学教授
演讲时间：2021年3月27日 格致论道第65期

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。

电子自旋假设：假设电子能像地球一样自转起来

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。

幸运的是，在不久后，英国的物理学家狄拉克将量子力学和相对论结合起来，发展出了狄拉克方程，自然导出了电子自旋，并且得到它的自旋角动量量子数为1/2。这样我们就可以发现电子自旋完全属于量子的范畴，它没有任何经典的对应。

那么，这样一个诡秘的自旋还有什么样的特性呢？

在量子力学中，还有很多神秘的特性。比如说在量子世界里，所有东西都是量子化的，只能取一些不连续的状态，就像我们爬楼梯只能一阶一阶地去爬。而经典世界就像坐电梯，是一个连续的过程。也就是说在量子世界里，我们只有1、2、3、4这样的状态，没有1.1、1.2。

电子自旋就是如此，电子自旋在磁场中角动量的取值也是不连续的，它只有两个分离的值，即1/2 或者－1/2，不可能有其他的值存在。这也是电子自旋1/2的由来。

量子力学里还有一个非常奇妙的特性，就是量子叠加。即作为一个量子的物体或者粒子，它能够同时处在不同的状态。

就拿陀螺来说，普通人去玩陀螺只能让它正转或者反转，它只能够处在一种状态。但如果你是在玩一个量子的陀螺，就完全不一样了，它可以出现一种同时存在正转和反转的状态。大家是不是感觉量子力学很诡秘了？

同样，其他的微观粒子也具有自旋，如我们熟悉的光子自旋为1，中子自旋为1/2。实际上，自旋是微观粒子所具有的内禀属性。

內禀属性就是指粒子基本性质，如同它的质量和电荷一样。比如说电子、光子或者中子，它们的质量、电荷和自旋都有确定的值，改变了就不是电子、光子或者中子了。

我们还可以拿经典的陀螺做对比。在经典世界玩陀螺的时候，它可以自转，自转的速度也可以改变。但是不管它自转的速度是多少，这个陀螺还是这个陀螺，它没有变化。那也就意味着在经典世界里，角动量或者自转不是经典物体的一个内禀属性。而通常来说，微观粒子具有这种内禀自旋。

但是为什么会具有这样一种内禀自旋，它到底是怎么来的？科学上我们也无法解释。

小到原子，大到浩瀚宇宙，自旋与我们生活的一切息息相关

我们刚才说到，世界都是由原子构成的，原子、电子、中子等微观粒子都有自旋，也就意味着自旋是无处不在的。小到原子，大到浩瀚的宇宙，我们生活中的一切都与自旋息息相关。这种自旋的现象对我们到底有什么意义呢？它有哪些用途？

给大家举几个例子。首先就是现代存储，它是与自旋息息相关的。与现代存储相关的巨磁阻效应实际上引爆了一场磁性内存的革命，使得现在一个小小的U盘就能够存储大量的数据。我可以自豪地告诉大家，自旋实际上开启了现代磁学的黄金时代。

再举一个大家非常熟悉的例子，大家或许都去医院做过核磁共振（磁共振成像），但很多人可能还不知道，其实核磁共振就与自旋相关。探测的信号就是我们人体内氢核自旋的信号，通过分析氢核自旋信号就能够诊断出疾病。

在医院做核磁共振检查的时候，通常在检测室外能够看到“当心强磁场”的标志，医生也会叫你取下身上的金属物、项链，还有磁卡等物品，这是为什么呢？

这张图上的圆形装置实际上是一个超导磁体，它提供了一个强磁场，做核磁共振检查一定要在这个磁场下进行。也就是说，有了这个磁场才能够去探测身体中自旋的信号。戴有心脏起搏器的人群会被禁止做这一项检查，就是因为这个强磁场会影响到起搏器所用的金属。

那是不是戴心脏起搏器的特殊人群就永远无法接受核磁共振的检测呢？于是问题就变成了，我们有没有可能不需要磁场也能够对身体做核磁共振呢？

零磁场核磁共振：让心脏起搏器不再是障碍

近年来，国际上有多个研究组包括我们也在朝着这个方向努力，研制一种新型的零磁场核磁共振谱仪，它在没有磁场的情况下，也能够对身体内的自旋信号做磁共振。

下图中间这台谱仪是我们最近开发的一台零场核磁共振谱仪。这是我们研究组和美国的加州大学伯克利分校的D. Budker教授（图左）共同研发的成果。在这个装置里面最重要的一个器件，就是下图右边展示的原子磁力仪。

下图我手里拿的是一个特制的玻璃泡，这个泡里面充满了一种碱金属的原子蒸汽。这种碱金属的原子就是带自旋的，且能够很好地感受到极其微弱的磁场。因此，零场核磁共振就是依赖于原子自旋磁力计的发展。

在这个方面，我们研究组经过了近十年的努力，研制了若干代的自旋磁力仪，我们对磁场的探测能力也在不断地提升。

比如说，在2019年，我们已经能够探测到约是地磁场100亿分之一的极微弱磁场信号。

大家可能对这个数据没有直观的感受，我做一个简单的比方。这个磁场的大小，就相当于我们把一块小磁片贴在近万米高空飞行的飞机上，然后在地面上我们的自旋磁力计也能够感受到这个小磁片产生的磁场。当然我们还有进步的空间，我们研究组还在不断地提升探测能力。

我再给大家介绍一下在零磁场核磁共振方向，我们和国际上的一些研究小组，到底做到了什么程度。

我们研究小组主要是在做分子结构的检测。相比于传统的高场核磁共振，我们能够得到更清晰的分子结构谱图，来开展结构的分析（下图左）。

大家可能会注意到，下图第二张图就是在零磁场的环境下，做到了对金属容器内部的水成像。这就解决了我们刚才说的，配戴心脏起搏器的特殊人群不能够做核磁共振的问题。

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