电子图作为微小的太阳系是我们对粒子物理世界的介绍。不幸的是，这些标志性图像的错误多于正确。一方面，电子不像绕着凹凸不平的太阳运行的微小行星。它们甚至可能不是微小的球体，而是空间中没有宽度、高度或深度的针刺，它没有任何可以旋转的东西。
对于我们大多数人来说，原子图作为微小的太阳系是我们对粒子物理世界的介绍。不幸的是，这些标志性图像的错误多于正确。一方面，电子不像绕着凹凸不平的太阳运行的微小行星。它们甚至可能不是微小的球体，而是空间中没有宽度、高度或深度的针眼。而作为一个没有宽度的物体，它没有任何可以旋转的东西。
那么，当物理学家描述粒子的“自旋”时，他们指的是什么？
为什么我们认为电子会自旋？
在量子力学的早期，许多物理学家思考电子等粒子是否确实在旋转。虽然这个想法与现有的电子行为理论并不完全吻合，但实验中的一些观察结果和理论上的细微差距却表明了相反的观点。
一是电子的路径在遇到磁场时会弯曲，就好像它本身就是一块微小的磁铁一样。这本身并不是一件令人震惊的事情——毕竟，移动的电荷会产生磁场。
但当 20 世纪 20 年代初，两位德国科学家奥托·斯特恩 (Otto Stern) 和瓦尔特·格拉赫 (Walther Gerlach) 测量绕银原子核运行的电子中的这个场时，他们发现这些数字并不一致。电子还必须在原地移动才有意义——它们必须旋转。
奇怪的是，结果表明这种旋转产生了具有非常特定方向的小磁场，相对于外部磁场严格指向垂直向上或垂直向下。它们从来不会随机地以某种方式倾斜。
与此同时，一位名叫沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）的理论家正在研究一项原理，该原理有助于解释为什么某些粒子（例如电子和原子核中的粒子）在占据同一空间时不能彼此重叠，而其他粒子（例如光子）可以。
他的“不相容原理”需要一组四个量子数。其中一个描述了粒子的能量。另外两个与角动量有关。但第四个似乎与任何明显的事情无关。
一位年轻的荷兰出生的美国科学家塞缪尔·古德斯密特很快就给出了答案。通过对称为双峰的磁场谱线公式进行新的解释，他无意中发现了电子运动的证据，这种运动看起来像自旋一样不可思议。并不是说他一开始就看到了这一点——他与另一位年轻的荷兰裔美国物理学家乔治·乌伦贝克进行了多次长时间的交谈才弄清楚这一点。
“但是你难道没有明白这意味着什么吗？这意味着电子有第四个自由度，”乌伦贝克著名地回答道。
“这意味着电子有自旋，它会旋转。”
尽管他们不是第一个考虑这个概念的人，但这次对话以及此类理论和实验的结果为电子（以及其他基本粒子）旋转提供了一个清晰的案例。
但在量子力学的兔子洞里，没有什么比这更简单的了。
电子为什么不能旋转？
尽管自旋一词被用来描述电子的奇怪磁性和光的奇怪性质，但仍然存在一些问题。
如果我们假设电子是真正的微小球体，那么它们必须旋转以匹配实验结果的速度将意味着它们的表面必须以比光速快十倍的速度旋转。
当然，现在人们认为电子没有表面。然而，知道基本粒子是场中的点并不会让它变得更加直观。零维点最初是如何转动的？
更令人困惑的是斯特恩和格拉赫进行的实验，它们只指向两个绝对方向。粒子微小磁体的“完全向上”和“完全向下”的明显方向很难用旋转的 3D 物体来解释，该物体可以向这边倾斜一点，向那边倾斜一点，或者加速或减速。
换句话说，电子中发生的自旋在我们的陀螺、篮球和行星世界中并没有对应的自旋。
它可能会产生类似的后果，使粒子弯曲得就像它们具有内在角动量一样，并将它们变成一种奇怪的条形磁铁。但无论“自旋”是什么，它都是融入我们宇宙结构的基本属性。