Vuosisatamme alkupuoliskolla aineen käyttäytyminen mikromaailman tasolla paljastui arkikokemukseen pohjaavan maalaisjärjen vastaiseksi. Aineen kvanttiteorian voittokulku onkin ollut yksi fysiikan suurimmista mullistuksista. Se toi fysiikkaan paitsi kvantittuneen atomin myös elektronin uuden, kummallisen ominaisuuden, spinin.
Spinin historia alkaa itse asiassa sata vuotta sitten kun elokuussa vuonna 1896 nuori hollantilainen fyysikko Pieter Zeeman huomasi, että kun natriumliekki asetetaan voimakkaan sähkömagneetin napojen väliin, liekin säteilemät spektriviivat halkeavat. Jo vuonna 1862 englantilainen Michael Faraday oli yrittänyt vaikuttaa natriumhöyryn lähettämään valoon magneetilla, mutta tuloksetta. Faraday oli tehnyt kokeitaan lasiprismalla, mutta Zeemanilla oli käytössään tarkempi diffraktioprisma ja hän ajatteli, että jos suuri Faraday oli pitänyt koetta tärkeänä, kelpaisi se toistaakin. Pian viivojen halkeaminen tunnettiin "Zeemanin ilmiönä", ja tunnettu hollantilaisfyysikko H.A. Lorentz antoi sille selityksenkin: natriumin lähettämän valon lähde oli sen atomien sisällä liikkuvien ja englantilaisen J.J. Thomsonin 1897 löytämien elektronien värähtely.
Lorentz jakoi Zeemanin kanssa vuoden 1902 Nobelin palkinnon, joka oli kaikkien aikojen toinen fysiikan Nobel-palkinto (ensimmäisen sai Röntgen). Mutta jo Lorentzin kätellessä Ruotsin kuningasta oli käynyt ilmi, että läheskään kaikkien atomien spektriviivat eivät magneettikentässä jakautuneetkaan Lorentzin teorian ennustamalla tavalla. Vuonna 1897 irlantilainen Thomas Preston oli havainnut, että kadmiumin sininen viiva hajoaa magneettikentässä varsin monimutkaisella tavalla, ja että natriumin D-viivat monistuvat itse asiassa nelikoiksi tai kuusikoiksi. Amerikkalainen Albert Michelson puolestaan hajotti elohopean vihreän viivan peräti yhteentoista komponenttiin. Näin alettiin puhua "anomaalisesta Zeemanin ilmiöstä" ("anomaalinen" tarkoittaa "säännöstä poikkeavaa" ja tässä tapauksessa Lorentzin säännöstä poikkeavaa). Lorentz joutui toteamaan, että "valon emission elektroniteoria pystyy selittämään havaitut ilmiöt vain hyvin vaatimattomaan rajaan saakka, ja että sen perusteita pitää suuresti muuttaa". Hän oli enemmän oikeassa kuin ehkä aavistikaan.
Zeemanin ilmiön selitystä jouduttiin odottamaan kaikkiaan miltei 30 vuotta. Jo varhaisessa vaiheessa oli ilmeistä, että viivojen jakautuminen totteli jotakin matemaattista lakia. Spektreissä havaittiin selkeitä säännönmukaisuuksia, mutta aina kun joku keksi säännön, joka oli pätevinään kaikille alkuaineille, joku toinen tuli ja havaitsi jälleen uuden viivan ja sen halkeilun, joka ei toteuttanutkaan tätä sääntöä. Kaiken kukkuraksi huomattiin, että kun magneettikenttä oli tarpeeksi suuri, jotakin merkillistä tapahtui. Pienillä magneettikentillä halkaistujen viivojen välinen etäisyys (eli niiden aallonpituuksien ero) suureni tasaisesti kenttää kasvatettaessa, ja aallonpituuksien suhteellinen ero näytti olevan aina jokin murtoluku. Mutta kun kenttää edelleen kasvatettiin, viivat alkoivat elää ja vaellella aivan uudella tavalla, ja hyvin suurilla kentillä koko efekti saattoi jopa hävitä.
Bohrin kvantittuneihin elektroniratoihin perustuva atomimalli vuodelta 1913 tuntui yhdellä iskulla selvittävän vetyatomin spektrin, ja kun saksalainen Arnold Sommerfeld vielä paransi mallia suhteellisuusteoreettisilla korjauksilla, kaikki tuntui toimivan mainiosti. Paitsi Zeemanin ilmiö. Sitä koskevien kokeellisten havaintojen määrä oli ensimmäisen maailmansodan kynnyksellä kertynyt jo melkoiseksi. Bohrin-Sommerfeldin atomimalli ei kuitenkaan kyennyt antamaan sen systematiikkaan minkäänlaista selitystä. Sommerfeldkin oli sitä mieltä, että viivojen hajoamiset voitiin ymmärtää vain "mitä syvimmin luotaavalla atomirakenteen tarkastelulla".
Zeemanin ilmiön numerologiassa parhaan arvosanan sai saksalaisen asianajajan poika Alfred Lande, joka alkoi uransa luennoimalla kerran viikossa Frankfurtin yliopistossa mutta hankki pääasiallisen elantonsa maaseutukoulun opettajana. Ennen maailmansodan syttymistä hän oli valmistellut väitöskirjaa Sommerfeldin ohjaamana sekä toiminut kuulun matemaatikko David Hilbertin assistenttina. Hän muodosti kuusi sääntöä, joiden avulla suuri osa natriumin kaltaisten atomien havainnoista pystyttiin kuvaamaan matemaattisesti "Landen tekijöiden" avulla. Ne olivat yksinkertaisia murtolukuja. Tätä varten Lande joutui vetäisemään ikäänkuin hatustaan uuden kvanttiluvun, joka ei liittynyt mihinkään konkreettiseen. Sommerfeld yritti kaikin keinoin estää Landea julkaisemasta "puoliksi ajateltuja spekulaatioitaan", mutta Lande ei antanut periksi. Hän oli kunnianhimoinen, ja lisäksi hän oli kuullut että samanlaisiin johtopäätöksiin oli tultu muuallakin. Kilpailu oli kovenemassa. Sommerfeldillä, joka istui professorina elinikäisessä virassa, sen sijaan olisi ollut varaa odotellakin. "Nähtävästi hän ei ymmärrä miten paljon hän [Lande] voi vahingoittaa tällä itseään", hän kirjoitti eräälle kollegalleen ja sanoi, että hänen oppilaansa oli löytänyt samat säännöt muttei ollut pitänyt niitä julkaisemisen arvoisina. Mutta vahinkoa ei syntynyt, päinvastoin. Lande kiirehti analysoimaan neonin ja elohopean viivojen käyttäytymistä, ja hänen sääntönsä näyttivät pätevän sielläkin. Pian Landea pidettiin jo Zeemanin ilmiön johtavana eksperttinä, ja Sommerfeldinkin oli tunnustettava, että Lande oli oikeilla jäljillä.
Mutta mikä jäljet oli jättänyt? Tämä oli edelleen suuri mysteeri. Lande oli kuin Linne: molemmat olivat luokitelleet kukkien teriöt ja lehtien muodot, mutteivät olleet selvittäneet mikä ne sai kasvamaan. Ongelman ratkaisuun välillisen sysäyksen antoi yksi kvanttimekaniikan pääarkkitehdeistä, Wolfgang Pauli. Tosin hän taisteli kynsin hampain ajatustensa poikimaa radikaalia ideaa vastaan. Wolfgang Pauli oli syntynyt Wienissä mutta ajautui jo varhain Muncheniin Sommerfeldin oppilaaksi. Mukanaan 18-vuotiaalla miehenalulla oli kirjoittamansa artikkeli yleisestä suhteellisuusteoriasta, joka julkaisunsa jälkeen sai myös Einsteinin ihailun. Näin Paulin maine oli luotu jo ennenkuin hän oikeastaan oli päässyt edes lähtökuopista. Samalla hän oli oppinut pitämään itseään varttuneempia tieteen jättiläisiä vertaisinaan eikä pelännyt kritisoida heidän tekemisiään. Hän oli suustaan ja kynästään hyvin terävä, ja vuosien mittaan hänen sarkasminsa lisääntyi legendaarisiin mittoihin. Hän oli lyhyt ja lihavuuteen taipuvainen. Nuorena hän vietti iltansa baareissa ja kahviloissa tai teattereissa ja elokuvissa. Hän saattoi sitten työskennellä läpi koko yön. Hänen naapurinsa seurasivat huolestuneina kun hän istui yölampun valossa pöytänsä ääressä keinuen kuin rukoileva Buddha. Aamuisin hänellä oli vaikeuksia herätä ajoissa pitämään luentoja. Samaan aikaan kun häntä kuvailtiin käsittämättömän älykkääksi, häntä kutsuttiin myös lapselliseksi.
Väitöskirjassaan Pauli otti harteilleen vaikean urakan, (ionisoituneen) vetymolekyylin energiatasojen selittämisen Bohrin ja Sommerfeldin voitokkaan atomimallin pohjalta. Yritys onnistui, mutta vain osaksi. Teoria ja havainnot eivät täysin pitäneet yhtä. Tosiasia oli, että Bohrin ja Sommerfeldin teoria oli vaikeuksissa, sen Paulikin tunnusti. Paitsi Zeemanin ilmiötä, se ei kyennyt lainkaan selittämään vedyn jälkeen seuraavaksi yksinkertaisimman atomin, heliumin, lähettämiä spektriviivoja. Myöskään atomitaulukon periodisuus --- järjestyksessä joka kahdeksas alkuaine on kemiallisesti hyvin samankaltainen --- oli vailla selitystä. Mutta koetulosten sekamelskassa Pauli kykeni näkemään järjestystä niin kuin Mendelejev aikoinaan atomipasianssissaan. Hän esitti, että havainnot selittyisivät jos oletetaan, että kaksi elektronia ei koskaan voi olla samassa kvanttitilassa. Nykyään väite tunnetaan "Paulin kieltosäännön" nimellä. Bohrin atomimallissa elektronit olivat järjestäytyneet ytimen ympärille kuin konsanaan keskiaikaiset taivaankappaleiden pallonkuoret. Jokaiseen pallonkuoreen, eli stationääriseen tilaan, liittyi kvanttiluku, jonka avulla spektrihavainnot selittyivät. Nyt Pauli esitti, että kullakin pallonkuorella voi olla vain tietty määrä elektroneja, jonka kuoren kvanttiluku saneli. Atomien kemialliset ominaisuudet määräytyvät pelkästään siitä, miten täynnä niiden uloin elektronikuori on. Jos kuori on niin täynnä kuin Paulin kieltosääntö sallii, seurauksena on kemiallisesti heikosti vaikuttava aine. Mutta mistä elektronit tiesivät kieltosäännöstä? Ajateltiin, että niiden tuli kantaa jotakin uutta ominaisuutta, uutta kvanttilukua, joka liittyisi tähän. Sellaiseksi ehdotettiin mm. elektronin pyörimistä. Pauli kuitenkin vastusti ajatusta ja sai jopa ylipuhuttua Ralph Kronig-nimisen amerikkalaisen nuoren fyysikon olemaan julkaisematta tätä ideaa. Sen sijaan Hollannin Leidenissä, samassa paikassa missä Zeemankin oli kokeensa suorittanut, toimi professorina Paul Ehrenfest joka pyrki kaikin keinoin kannustamaan aloittelevia tutkijoita. Eräs hänen oppilaistaan oli nimeltään Samuel Goudsmit. Tämä oli nopeasti kehittynyt erittäin taitavaksi spektritutkijaksi, joka salapoliisin tavoin osasi löytää kätkettyjä viestejä. Goudsmit oli yleensäkin vetreä kaikenlaisessa aivovoimistelussa. Ensimmäisellä Kööpenhaminan vierailullaan Goudsmit pääsi Bohrin opastamana Carlsbergin Glyptoteekkiin, kuulun Tivolin takana sijaitsevaan vuosisadan alun uusklassiseen (ja jotkut sanovat mauttomaan) taidemuseoon, josta löytyy myös egyptologian osasto. Kun Bohr alkoi kääntää tanskaksi kirjoitettuja selityksiä, Goudsmit totesi sen olevan turhaa: hän osasi lukea sarkofagien hieroglyfejä.
Kolmena päivänä viikossa Goudsmit matkusti Amsterdamiin sinne muuttaneen Pieter Zeemanin assistentiksi. Hän ei ollut kaikkein ahkerin opiskelija, ja Ehrenfestillä oli toinenkin oppilas, joka aiheutti hänelle huolta. Hänen nimensä oli George Uhlenbeck. Hän ei aluksi ollut päässyt Leidenin yliopistoon niin kuin olisi halunnut, sillä Hollannin laki edellytti kaikilta opiskelijoilta klassisten kielten kouluarvosanaa, joka Uhlenbeckiltä puuttui. (Näin kauas siis ulottui keskiajan tiedekäsitys). Onneksi laki kumottiin vuonna 1919, mutta pian sen jälkeen rahahuolet astuivat kuvaan. Vuoteen 1925 saakka Uhlenbeck toimi Roomassa Hollannin suurlähettilään nuorimman pojan yksityisopettajana.
Uhlenbeckin fysiikan tuntemus, joka oli erilaisista kirjoista itseopiskelulla ammennettu, oli väkisinkin täynnä suuria aukkoja. Siksi Ehrenfest ehdotti, että Goudsmit voisi opettaa hänelle uusimpia spektroskopian saavutuksia. Tämä asetelma osoittautui yllättävän hedelmälliseksi.
Kun Goudsmit selitti Zeemanin ilmiötä ja puhui "Landen tekijöistä", Uhlenbeck oli aluksi pihalla kuin talonmiehen lapio ja kyseli vain: "Kuka on Lande?". Ehrenfest oli ollut oikeassa: hänellä oli paljon oppimista. Tietämättömän Uhlenbeckin skeptiset kysymykset saivat kuitenkin kaksikon pohdiskelemaan koetulosten merkitystä tuoreelta näkökulmalta, ja he tulivat yhä vakuuttuneemmiksi siitä, että elektronin täytyi pyöriä itsensä ympäri kuin hyrrä. Vain näin Landen tekijät voittiin laskea oikein. Lopulta Ehrenfest kehoitti heitä kirjoittamaan lyhyen artikkelin aiheesta, mutta ehdotti samalla, että kysytään vielä Lorentzin mielipidettä. Tämä oli jo eläkkeellä, mutta häntä pidettiin edelleen hollantilaisen fysiikan grand old manina, joka kerran viikossa tuli vielä Leideniin luennoimaan. Lorentz kuunteli kohteliaasti kun Uhlenbeck selitteli teoriaansa. Viikon päästä Lorentz matkusti taas Leideniin, nyt paksun paperinivaskan kanssa. Hyrräteorialla oli ongelmia. Jos elektroni todella pyörisi, sen pinta liikkuisi kymmenen kertaa valoa nopeammin, Lorentz huomautti.
Goudsmit ja Uhlenbeck riensivät oitis Ehrenfestin luo ja selittivät, että heidän ajatuksensa oli julkaisukelvotonta hölynpölyä. Heidän tyrmistyksekseen Ehrenfest tunnusti, että hän oli jo ehtinyt lähettää sen julkaistavaksi, mutta lohdutti oppilaitaan sanoen: "Olette vielä molemmat sen verran nuoria että moinen hölmöily sallitaan teille".
Mutta erityisesti Bohr oli innoissaan ja tyytyväinen, niin kuin hän Ehrenfestille kirjoitti, "Ullenbechin ja Goudsmithin työstä", jota hän mainosti Eurooppaa kiertäessään. Hän huiskaisi syrjään puheet valoa nopeammin pyörivästä elektronista ja selitti luottavaisesti, että nämä klassiset ongelmat häviäisivät, kun kunnollinen elektronin kvanttimekaaninen teoria löydettäisiin. "Tunnen olevani kuin magneetti-elektroni-evankeliumin profeetta", Bohr kirjoitti. Heisenbergikin lähetti kohteliaan kirjeen, mutta huomautti, että vaikka Landen kaavat näin saatiin selitetyiksi, tulos oli itse asiassa virheellinen tekijän 2 verran. Pauli sen sijaan tyytyi itsepintaisesti kutsumaan pyörivää elektronia harhaopiksi.
Tällä välin Goudsmit ja Uhlenbeck ahkeroivat spektrien parissa ja keräsivät mallinsa tueksi lisää spektriviivoja. Kaikki tuntui täsmäävän --- ellei lasketa kiusallista tekijää 2. Mutta tämäkin ongelma ratkesi pian kun nuori englantilainen Llewellyn Thomas, joka oli tullut Kööpenhaminaan syksyllä 1925, kysäisi viattomasti: "Miksi ihmiset eivät ota huomioon suhteellisuusteoreettisia korjauksia?" Vastaus oli, että kaikki odottivat näiden korjausten olevan hyvin pieniä. Thomas ei kuitenkaan ollut vakuuttunut vaan suoritti laskun itse, ja tuloksena oli kuin olikin täsmälleen tuo puuttuva tekijä 2. Nyt jopa Pauli antautui. Elektronin uusi ominaisuus, spin, oli keksitty. Sen mukana koko anomaalisen Zeemanin ilmiön sekasotku selittyi elektronin pikkuruisen magneetin aiheuttamaksi.Samalla voitiin ymmärtää, miksi magneettikentän läpi ammuttu atomisuihku jakautui kahtia (tämä oli ns. Stern-Gerlach-koe). Sekin johtui atomin elektronien spinistä.
Spiniä ei kuitenkaan tule ymmärtää klassiseksi pyörimisliikkeeksi, aivan kuten Bohr oli ounastellut. Se on elektronin ja yleisesti fermionien (joita ovat sekä leptonit että kvarkit) sisäinen ominaisuus. Voimme ajatella, että elektroni on pikkuruinen sauvamagneetti, ja tämä on elektronin sähkövarauksen ohella sen tärkein ominaisuus. Magneetti ei kuitenkaan voi osoittaa mielivaltaiseen suuntaan, sillä spin on kvantittunut; tavallisesti sanotaan, että se osoittaa vain "alas" tai "ylös". Spektriviivojen jakautuminen magneettikentässä oli siis paljastanut aineen näkymättömän ominaisuuden, jolla ei ole selvää arkitodellisuudesta tuttua vastinetta. Tämä tapahtui vasta pitkällisen kamppailun ja monenlaisten turhien yritysten jälkeen. Havaintoaineisto viimein suorastaan pakotti hyväksymään tämän hypoteesin kun muuta vaihtoehtoa ei enää ollut näkyvissä, ja samalla erilaisten atomien spektrit loksahtivat paikoilleen kuin toistaen samaa säveltä. Atomien "sisäinen magnetismi" ja spektriviivojen hienorakenne oli yhteydessä spiniin, ja kun atomi pantiin magneettikenttään, Landen säännöt saivat kauniisti teoreettisen selityksensä Goudsmitin ja Uhlenbeckin magneettisen elektronin ansiosta.
On käsittämätöntä, etteivät Goudsmit ja Uhlenbeck koskaan saaneet Nobelin palkintoa oivalluksestaan. Abraham Pais, tunnettu hollantilainen ydinyysikko ja fysiikan historoitsija, arvelee sen johtuneen siitä, että amerikkalaisella Ralph Kronigilla oli sama idea jo ennen Goudsmitiä ja Uhlenbeckiä. Mutta kun Pauli sai Kronigin uskomaan, että ajatus oli väärä ja käyttökelvoton, Kronig ei tullut julkaisseeksi ideaansa. Nobelia jaettaessa Kronigia olisi ollut vaikea sivuuttaa, mutta toisaalta olisi ollut mahdotonta palkitakaan häntä työstä, jota ei missään ollut dokumentoitu. Näin Pauli välillisesti esti Goudsmitiä ja Uhlenbeckiä saamaan enemmän kuin ansaittua palkintoaan.
Spin on eräs aineen tärkein kvanttimekaaninen ominaisuus. Siitä johtaa suora tie Diracin elektroniteorian kautta nykyfysiikan kaikkein tarkimmin todennettuun teoriaan, valon ja aineen kvanttiteoriaan kvanttielektrodynamiikkaan. Mutta miksi elektronilla ylipäätään pitää olla spin on jo kokonaan toinen kysymys.
Kari Enqvist