量子自旋为1,转360度一样,自旋为1/2转两圈一样,那自旋2/3和自旋4一样吗?

题主你好,我首先指出你的错误:自旋没有s=2/3。这涉及到比较深刻的时空对称性理论。我们知道,在不考虑引力情况下,我们生活在一个四维时空里,该四维时空叫闵可夫斯基时空。它是一个伪欧几里得空间。而该闵可夫斯基时空可以允许的最大对称性(这里不考虑规范场的规范对称性以及超对称)是洛伦兹对称性。用数学的语言说就是,闵可夫斯基时空的对称群是洛伦兹对称群。该群是一个非紧致李群。它的李代数结构告诉我们,洛伦兹群可以用一个SO(3)和一个SU(2)的直乘形式表示出来。同时,我们又知道,三维空间的最大对称群(同样不考虑规范场的规范对称性和超对称)是SO(3)群。那么洛伦兹群里的SU(2)便是描述自旋的!然而SU(2)群的李代数结构不允许s=2/3、s=1/3这类自旋存在!可以证明,SU(2)群对应自旋s=1/2。也就是说,在狭义相对论严格成立的情况下——这件事情到今天为止我们都没有找到反驳的证据,自旋只能是1/2的正整数倍。因此,存在s=0、s=1、s=3/2、s=2等自旋态。

对于空间转动群,我们可以很轻易地获得一个结论:当转动角为360度时,粒子回到原来位置(应该叫状态)。那么对于自旋s=1/2的粒子呢?这就没这么简单了。简单来说,三维空间里的转动角为720度时候,s=1/2粒子才能回到原来状态。但是要注意,必须要是三维空间里的转动才能有这种结论,如果转动的是另一个空间——两位空间加一维时间的三维时空——那么结论不是这样的!这是要因为在这样的三维时空里,自旋对应的李群SU(2)不表现为紧李群的性质,而是表现为非紧李群!这种情况下,转动多少度角都不能让粒子回到原来的状态,只能越转越远。

如果考虑自旋s=4的粒子(一定是复合粒子),那么转动90度就能让粒子回到原来状态。但是这种粒子的稳定性一般比s=1/2粒子的稳定性低得多。

2022-04-08

2022-04-08