我在之前的某次问答中，解释过自旋 。很有把握地说，自旋是二十世纪物理学比较抽象难懂的概念之一 。因为自旋不是很直观的物理量，它不像位移、速度那样可以很直观地描述来 。自旋是相当抽象的物理量，需要用相对深刻的数学物理工具来描述 。
要想理解自旋首先要先理解时空对称性，也就是说，时空对称性除了能容下转动对称性外还能容得下自旋这种对称性 。而要理解对称性，就得从相对论时空观出发 。自旋既是一种相对论效应，也是一种量子效应 。只有同时把握相对论和量子力学，才能诠释自旋 。【注意，这里的相对论仅仅指的是狭义相对论，而不涉及到广义相对论 。】
最早从物理学上解释自旋的是英国物理学家狄拉克 。狄拉克将狭义相对论量子化的结果构造出来，并且基于克利福德代数成功地解释了电子自旋角动量本征值为何是1/2 。我在这里不多介绍相关知识，题主可以阅读《高等量子力学》或者《量子场论》等书籍获得答案 。在这里我仅仅粗浅地解释电子的自旋为何会有两种自旋方向 。原因是时空对称性只允许电子自旋角动量本征值有两种，值得注意的是，这一切和四维时空的维数有关 。如果时空维数是三维或者五维，那么自旋就不是我们现在所观测到样子 。高维时空下的量子理论，或许只能是弦理论 。因此自旋的表述就比较复杂，绝对不是我们现在所观测到的电子自旋这种“低级货” 。再强调一点，电子自旋是所有可能的旋量里面（旋量的定义也可以在我前面提到的书籍里找到）最简单的情况，而更复杂的自旋可以通过做直积电子自旋来获得 。比如说自旋为1的粒子会有三种自旋取向，而自旋为3/2的粒子（比如说尚未找到的引力微子）将有四种自旋取向 。
文章插图
自旋是微观粒子的一种特定属性，和粒子的质量、电荷等一样，自旋就是表征微观粒子的一个量子力学物理量，类似的还有同位旋、颜色、味道等，都是微观粒子的“标签” 。不同的微观粒子，它具备的一组“标签”是有所不同的 。自旋，如果只是顾名思义的话，有点像经典物理里面地球的自转，它可以产生一个角动量 。但这种理解并不正确，因为假设电子的磁矩是因为自身带电电荷旋转造成的，那么自旋产生的角动量将非常大，以至于按照经典物理的自转模型来理解的话会导致粒子的边界大大超过光速（注意电子的直径很小），而这点在物理中是被严格禁止的 。
【电子的自旋为什么有两个旋转方向】自旋指的是微观粒子与生俱来就带有一个量子化的角动量，属于粒子的内禀属性 。所有的粒子都具有自旋的属性，而且自旋数并不一定是整数 。自旋为半奇数的粒子称为费米子，服从费米-狄拉克统计；自旋为0或整数的粒子称为玻色子，服从玻色-爱因斯坦统计 。正负电子、质子和中子的自旋都为1/2，属于费米子；而光子的自旋为零，属于玻色子 。自旋可以等效地认为是一个具有N极和S极的最小磁单元 。自旋的存在，使得微观粒子在运动过程中不仅仅由于其轨道角动量会产生轨道磁矩，而它们的自旋角动量也同时会产生自旋磁矩，粒子的总磁矩是轨道和自旋两部分贡献的整体效应 。对于原子核来说，中子和质子的自旋以及轨道角动量将整体贡献出一个核磁矩，原子核磁矩的存在，是核磁共振现象的基础 。对于核外电子来说，诸多电子的轨道磁矩和自旋磁矩也将组合在一起体现整体的磁矩 。电子的磁矩一般要比核磁矩大得多，因此对于原子整体而言，将主要体现出电子造成的磁矩 。
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