自旋磁量子数为什么是 ±1/2?

自旋磁量子数为什么是 ±1/2?

实验上看,早期量子力学实验中通过S-G实验,反常塞曼效应等,确定了微观量子态这个在磁场中的额外自由度(内禀属性)。然后人们才开始研究他的。

理论上看,对于满足狭义相对性原理的量子态,等价的就是存在庞加莱群(universal cover)诱导酉表示的Hilbert space。这个诱导表示对于质量m≠0的粒子,其自旋空间上little group的表示,正好就是SO(3)的表示。而SO(3)李代数的几个对易关系,正好就是角动量算符的定义。

实际上,通过以上步骤我们就已经可以看到量子态“携带”的自旋了。对应SO(3)李代数的表示,定义ladder operator可以求出那两个本征值了,m可以为\hbar的整数或者半整数倍(这个步骤任意量子力学教程里都有)。

量子态不仅要满足狭义相对性原理,还要满足光速不变原理所带来的相对论因果性。也就是说哈密顿密度算符H(x)在类空间隔是对易子为0。通过因果性要求,可以讨论量子态对应的场算符满足的对易(反对易)关系,进而确定粒子满足的统计规律,这就是自旋统计定理。

上面这点东西一般教材里就有,仔细查查就能找到的。