電子自旋出現(xiàn)超光速問題之我見

電子自旋出現(xiàn)超光速問題之我見——回復(fù)王老師之提問邱旭濱2022年6月26日于廣州摘要：量子力學(xué)發(fā)展初期，科學(xué)家提出了電子自旋概念，但自旋被認(rèn)為是量子力學(xué)的特征，而不是經(jīng)典的自旋。因為科學(xué)家認(rèn)為若按經(jīng)典理論理解，將會出現(xiàn)超光速運動，違背了光速極限的認(rèn)知。本文深入探究了電子自旋的歷史過程，從實際出發(fā)，結(jié)合經(jīng)典與量子力學(xué)理論，提出電子自旋具有經(jīng)典特征也具有量子的特征，但沒有超光速。沒有證據(jù)證明電子的自旋半徑引發(fā)超光速?；陔娮舆\動變化的復(fù)雜性，不能片面地看待問題。關(guān)鍵詞：電子自旋超光速一、前言在量子力學(xué)發(fā)展史上，曾經(jīng)就電子是否具有經(jīng)典的自旋引發(fā)科學(xué)家們的討論。1921年，康普頓在研究X射線的過程中曾萌生電子自旋的念頭。1922年，斯特恩-格拉赦實驗證明電子通過非均勻磁場時會表現(xiàn)出自旋與磁矩性。1924年泡利在解釋氫原子光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)時引入了量子數(shù)1/2，但是未能給予物理解釋。1925年烏倫貝克和歌德斯密特受保泡利不相容原理啟發(fā)，提出電子自旋概念，并給出式，指出自旋量子數(shù)為1/2。其導(dǎo)師埃倫費斯特認(rèn)為如果將電子看作是帶有電荷的轉(zhuǎn)動小球，那么它產(chǎn)生的磁矩公式前要加一個因子2，即朗德因子。但洛倫茲認(rèn)為如果電子像小磁陀螺自旋，表面轉(zhuǎn)動速度就要超光速，這違背了當(dāng)時光速是極限速度的結(jié)論。當(dāng)然泡利更是反對電子自旋經(jīng)典化。1925年1月對另外一位同時期提出電子自旋的研究者科洛尼格進行了批駁。1928年，狄拉克用相對論波動方程得出了電子具有自旋的結(jié)論。二、超光速分析1、經(jīng)典自旋超光速的一般見解下面簡單從轉(zhuǎn)動慣量的角度來看泡利是怎樣認(rèn)為電子自旋會導(dǎo)致其轉(zhuǎn)動速度超過光速的。設(shè)電子為一剛體球，半徑為r，赤道處線速度為ｖ，約化普朗克常數(shù)為?，光速為ｃ，自轉(zhuǎn)角速度為ｗ，自旋角動量為?/2，則有：轉(zhuǎn)動慣量：線速度：自轉(zhuǎn)角動量：量子力學(xué)角動量：故有： 令ｖ為光速ｃ，則有：這意味著半徑在此以下，都可能導(dǎo)致超光速的出現(xiàn)。當(dāng)然這是在取量子力學(xué)角動量為的情況下。2、重新解釋超光速首先回顧一下1925年烏倫貝克和歌德斯密特的電子自旋假設(shè)，可以發(fā)現(xiàn)存在一個重要的問題，如下：按照量子力學(xué)，若取自旋角動量：則對應(yīng)的磁矩為：但這兩個式子與實驗不符，為了與實驗相符，于是他們又假設(shè)電子的自旋磁矩為１個玻爾磁子，即為經(jīng)典數(shù)值的２倍：這個假設(shè)受到了實驗的支持，而且與電子自旋概念一起可由狄拉克的相對論量子力學(xué)導(dǎo)出。其中的２倍，就是當(dāng)只考慮自旋角動量時對應(yīng)的朗德因子。而玻爾磁子實際上可通過經(jīng)典理論直接導(dǎo)出：也就是說，量子力學(xué)通過調(diào)整自旋角動量，把自旋１/２調(diào)整為1，才使得其磁矩符合實驗，才與經(jīng)典的理論所得的結(jié)果相符。就這一步可以看出，經(jīng)典理論在這個問題上更讓人滿意。因為，我們總有辦法通過引入或調(diào)整系數(shù)來調(diào)整數(shù)值上的偏差，得出你想要的值，但顯然這樣容易掩蓋了該理論存在的缺陷?？紤]到關(guān)于電子自旋磁矩這個問題，量子力學(xué)是通過調(diào)整系數(shù)來滿足實驗值，所以，上述在考慮自旋超光速時，就不應(yīng)該忽略這一事實。故而也必須考慮把1/2自旋量子數(shù)調(diào)整為1。即自旋角動量要改為：。同時，對于電子的轉(zhuǎn)動慣量也要根據(jù)實際作調(diào)整。上述中把電子球視為剛體球。把轉(zhuǎn)動慣量按計量。實際上，這是把它視為由各質(zhì)點均勻分布的球體。但我們只要比照熱力學(xué)，便可以知道，對于由同質(zhì)構(gòu)成的且以某速度v運動的系統(tǒng)，實際上等效于一個旋渦，無論它本來是否是渦旋。比如對于由光速運動量子構(gòu)成的質(zhì)量體，必有。當(dāng)然，漩渦的系統(tǒng)要比自由雜亂碰撞的量子聚合體顯得更有序，從科學(xué)的經(jīng)驗上，基本粒子是漩渦質(zhì)體是更可信的?；诖耍娮拥霓D(zhuǎn)動慣量應(yīng)該為：，這樣，才能滿足電子自旋的投影角動量為一個玻爾磁子的事實。也就是，電子的球體只是一個像而已，投影才是它的本質(zhì)。這樣在數(shù)理上便與經(jīng)典達成了一致。見下：當(dāng)速度取光速時就有：實際上如果從經(jīng)典理論看，我們從電子的質(zhì)能與光速及半徑的關(guān)系，可知電子的極限半徑只能是康普頓波長對應(yīng)的半徑： 當(dāng)然，這是在默認(rèn)電子的自轉(zhuǎn)為封閉的情形。事實上，電子還伴隨著進動。很顯然可以看出，量子力學(xué)取角動量為時，半徑要小于康普頓半徑。這兩者具有明顯的差異。也就是說，無論經(jīng)典還是量子力學(xué)，都是電子半徑小于康普頓半徑出現(xiàn)超光速的。但是，事實是否存在半徑小于康普頓半徑的情況呢？還有就是它是否能反映真實的情況呢？對此，我們只有根據(jù)目前掌握的有限信息作出較為合理的分析。而事實就是：我們接收到的來自電子的信息，都是通過電子發(fā)射的電磁波信息，而電磁波是光速。這意味著這一量子化角動量信息是以光速為前提的，而康普頓波長顯然是受電子質(zhì)量制約的。這一量子化的特征就是，三者緊密結(jié)合，不能分開，并構(gòu)成了電子質(zhì)能的基礎(chǔ)，即。即我們在實際的測量上，并沒有接受到超過這一頻率的電子信息，如果有，則意味著電子的半徑小于康普頓半徑，并且電子自旋存在超光速的情形。但從康普頓實驗中可以發(fā)現(xiàn)，電子與入射光相互作用，遵循著一個重要的規(guī)律，就是電子質(zhì)能量子化。即（具體可參考《康普頓實驗中的“質(zhì)速關(guān)系”是量子效應(yīng)而不是相對論效應(yīng)》），這一關(guān)系及實驗的事實都表明了電子自旋但半徑?jīng)]有造成超光速的出現(xiàn)。綜上所述，只要正確認(rèn)識電子的剛體實質(zhì)及認(rèn)識到量子理論在處理電子自旋問題時調(diào)整了相關(guān)系數(shù)，就能復(fù)原回歸經(jīng)典上來，電子自旋可視為渦旋態(tài)?？紤]到電子作為粒子具有運動速度，所以電子是在自旋中進動。電子質(zhì)能量子化仍顯示電子是光量子的粒子化，自旋無法證明其半徑造成超光速。另外，超光速是否存在的問題，人類對宇宙的認(rèn)識仍然在不斷的深入當(dāng)