这个问题是不是说明了粒子内部是更高维度的空间？
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15 个回答
关键词：基本群，投影表示，周期边界条件。
要完整回答这个问题，涉及到的数学概念比较多。
首先，我们描述旋转，是用”旋转群“的概念，即群SO(3)。同时感兴趣的是这个群的李代数so(3)，即量子力学里的角动量代数。
群和代数提供了两个角度切入这个问题：
1. 从群的角度。
首先，如果我们把旋转操作不看作一个群作用，而是一系列无穷小操作的组合，即转一圈相当于N次旋转(180/N)°，以示与”不转“的区别。这样，一个旋转就变成了群流形上的一条线(contour)，任何回到原位（群单位元）的旋转体现为群流形上的一个圈(loop)。然后我们去看被转的对象：我们做以下识别(distinguish)，即两个不同的旋转操作，对于任意对象而言，必然等同的条件是，它们所代表的contour之间同伦（这一结论适用于任意群）。对于转圈，则是它们所代表的loop同伦。”不转“即一个收缩至一点的loop，那么和”不转“等同的”转圈“，就必须能够（在群流形上）收缩至一点。如果假设群的实现是可微的，那么这样的识别是逻辑上可能的最细致的识别。
量子态可以做这种识别，因为它可以有内部自由度（比如相位）。经典态无法做这么细致的识别，因为它的自由度是固定的。
问题来了：SO(3)群的拓扑性质（形状）很特殊，是一个对径认同的球体，它上面有两类不等价的loop，其中一类等价于点（”不转“），而另一类和它并不等价，而”转一圈“这个操作就属于这个非平凡的类里面。简单来说，”转一圈“这个操作无法连续得变化为”不转“的操作（你可以试一试）。
数学上，这称为”SO(3)群的基本群是
”。
这有什么意义呢？当我们在量子理论中实现一个群操作时，允许这样的事情发生：
即群的表示
并不完全同构于群
本身。这称为投影表示。这有点像一个
-orbifold。在SO(3)的情况下，这就是个-orbifold，其定轴旋转的子流形就是一个莫比乌斯带（的边界） @杨晓堃 。
2. 从代数的角度。
这个角度就比较常见了，一般的量子力学书都是这么讲的。首先，so(3)=su(2)，即两个群的李代数相同。然后，我们把这个代数称为角动量代数，并且写出它的所有表示。然后我们发现有自旋1/2的表示。这样的表示对于轨道角动量不适用的原因是波函数在实空间的单值性，导致了周期边界条件；而自旋角动量适用恰恰是因为它的旋转并不对应实空间的点，所以不需要有单值性，因此可以有反周期(anti-periodic)边界条件。
当然，这造成了很多人（比如题主）的困惑。简单把它归结于“自旋是内秉性质”不是一个很有说服力的方法，因为它其实还是来自于空间旋转。
两者的联系：
拥有相同的李代数的群SO(3)和SU(2)，后者有着简单拓扑
，而前者恰好是后者的某种automorphism的商集，过程中改变了拓扑，而这种automorphism则成了前者的基本群。因此，前者算上投影表示就和后者完全相同了。
经 @flying zz 提醒，更好的说法是：拓扑上，SU(2)是SO(3)的universal cover，所以它们有相同的李代数但不同的拓扑，而且前者的所有表示和后者的所有投影表示完全相同。对于一般的群，应该也有如此性质。比如高维旋转群，Spin(n)就定义为SO(n)的universal cover。这就是为什么我们可以省略介绍投影表示，而直接使用群SU(2)=Spin(3)作为量子理论的旋转群，并给出多一倍的表示。
要完整回答这个问题，涉及到的数学概念比较多。
首先，我们描述旋转，是用”旋转群“的概念，即群SO(3)。同时感兴趣的是这个群的李代数so(3)，即量子力学里的角动量代数。
群和代数提供了两个角度切入这个问题：
1. 从群的角度。
首先，如果我们把旋转操作不看作一个群作用，而是一系列无穷小操作的组合，即转一圈相当于N次旋转(180/N)°，以示与”不转“的区别。这样，一个旋转就变成了群流形上的一条线(contour)，任何回到原位（群单位元）的旋转体现为群流形上的一个圈(loop)。然后我们去看被转的对象：我们做以下识别(distinguish)，即两个不同的旋转操作，对于任意对象而言，必然等同的条件是，它们所代表的contour之间同伦（这一结论适用于任意群）。对于转圈，则是它们所代表的loop同伦。”不转“即一个收缩至一点的loop，那么和”不转“等同的”转圈“，就必须能够（在群流形上）收缩至一点。如果假设群的实现是可微的，那么这样的识别是逻辑上可能的最细致的识别。
量子态可以做这种识别，因为它可以有内部自由度（比如相位）。经典态无法做这么细致的识别，因为它的自由度是固定的。
问题来了：SO(3)群的拓扑性质（形状）很特殊，是一个对径认同的球体，它上面有两类不等价的loop，其中一类等价于点（”不转“），而另一类和它并不等价，而”转一圈“这个操作就属于这个非平凡的类里面。简单来说，”转一圈“这个操作无法连续得变化为”不转“的操作（你可以试一试）。
数学上，这称为”SO(3)群的基本群是
这有什么意义呢？当我们在量子理论中实现一个群操作时，允许这样的事情发生：
即群的表示
2. 从代数的角度。
这个角度就比较常见了，一般的量子力学书都是这么讲的。首先，so(3)=su(2)，即两个群的李代数相同。然后，我们把这个代数称为角动量代数，并且写出它的所有表示。然后我们发现有自旋1/2的表示。这样的表示对于轨道角动量不适用的原因是波函数在实空间的单值性，导致了周期边界条件；而自旋角动量适用恰恰是因为它的旋转并不对应实空间的点，所以不需要有单值性，因此可以有反周期(anti-periodic)边界条件。
当然，这造成了很多人（比如题主）的困惑。简单把它归结于“自旋是内秉性质”不是一个很有说服力的方法，因为它其实还是来自于空间旋转。
两者的联系：
拥有相同的李代数的群SO(3)和SU(2)，后者有着简单拓扑
经 @flying zz 提醒，更好的说法是：拓扑上，SU(2)是SO(3)的universal cover，所以它们有相同的李代数但不同的拓扑，而且前者的所有表示和后者的所有投影表示完全相同。对于一般的群，应该也有如此性质。比如高维旋转群，Spin(n)就定义为SO(n)的universal cover。这就是为什么我们可以省略介绍投影表示，而直接使用群SU(2)=Spin(3)作为量子理论的旋转群，并给出多一倍的表示。
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