在医院的核磁共振成像（MRI）扫描室，人们总会看到“当心强磁场”的警示牌，医务人员也会反复叮嘱“请取下身上的所有金属物及磁卡等物品”。许多人会好奇，其中的科学缘由是什么？答案就藏在微观世界最基本的一个特性——量子自旋之中。
我们生活的世界由原子构成，而原子里的微观粒子都有量子自旋这一内禀属性。所谓内禀属性，指的是粒子的基本性质，像质量和电荷一样。比如说电子、光子或者中子，它们的质量、电荷和量子自旋都有确定的值，改变了就不是电子、光子或者中子了。因此，量子自旋并非经典意义上的实际旋转。
而MRI的原理，就是探测人体内部氢核的量子自旋状态。人体约70%是水分，每个水分子含有两个氢原子，因此我们体内蕴含着大量的氢核自旋信号。通过分析这些氢核自旋状态的分布和变化，可以还原出人体组织的清晰影像，为疾病诊断提供科学依据。
然而，人体中氢核的自旋信号极其微弱，要捕捉到它们，离不开强磁场的帮助。传统核磁共振成像仪上的圆形装置实际上是一个超导磁体，它提供了一个远超地球磁场的强磁场（相当于地球磁场的数万倍）。在强磁场环境下，氢核的量子自旋就像是被“定了向”，原本杂乱无章的自旋状态变得有序排列，仪器就能准确捕捉到它们的“踪迹”。
金属是强磁场的“亲密伙伴”，也是自旋信号的干扰源。金属在强磁场中会被强烈磁化，轻则产生位移、震动，影响氢核自旋信号的采集，导致成像模糊失真，重则在强大的磁场力作用下，会高速飞向磁体，不仅会损坏仪器设备，还有可能撞击到人体，造成意外伤害。此外，心脏起搏器、金属支架等体内植入物，还会因强磁场干扰失去正常功能，带来很大危险。
难道身体有金属植入物的人，就永远无法做核磁共振检查了吗？我们有没有可能在无磁场条件下完成对人体的核磁共振检查呢？
国内外许多研究团队都对此开展了探索。目前，中国科学技术大学的研究团队已成功研发出零磁场核磁共振谱仪，该装置的主要器件为原子自旋磁力计，它能够在无磁场环境下实现对物质内部量子自旋状态的探测。
零磁场核磁共振谱仪已经可以做到对金属容器内的水成像，以及对人体手指和人脑的初步成像。这意味着体内有金属植入物的人未来有可能顺利完成核磁共振检查。尽管现阶段该技术成像的清晰程度还远不如传统的核磁共振成像技术，但其具备成本低、无辐射等优势，将大幅降低医疗成本。
量子自旋这一看似遥远的物理概念，其实早已融入我们的日常生活。相信随着对量子自旋研究的不断深入，未来还会涌现更多新的技术突破，守护我们的健康。
来源：“人民日报”微信公众号
