科学网:对自旋的理解,杨振宁无可挑剔 电子:质量电荷自旋

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刘全慧  科学网博客  博文

对自旋的理解，杨振宁无可挑剔  精选

已有 3720 次阅读 2017-4-12 16:28

个人分类:大学教育|系统分类:观点评述

关键词:杨振宁 物理学 color style

17-4月7-8日，扬州大学办了一个物理学教学方面的会议，会上有人谈到国内一位名家的文章。不愧名家手笔，文章确有真知。但是，瑕不掩瑜。瑕疵之一，是在文章的最后一段，批评了杨振宁先生关于自旋的理解。立即找来相关原文对照，发现对杨振宁的批评是错误的。不仅如此，对另外一位作者的批评也有不确。

一，电子自旋是电子的一种内禀性质，无关相对论!

电子自旋和电子的质量、电荷一样，是一种内禀属性。也就是与生俱来，和人类的认识与否无关，也就和任何理论无关。这是物理! 数学是什么? 不过为了定量地描叙物理的一种手段。当然，数学是很好的手段和工具! 在这种意义上，数学是物理学的侍女!

当年，德布罗意提出了物质波的概念，资深物理学家、诺贝尔物理学奖获得者德拜觉得薛定谔手上的工作并不重要，提出"to deal properly with waves, one had to have a wave equation."也就是说，电子的波动性需要一个恰当的数学描叙，你薛定谔应该去试试寻找这个数学。这句不经意的提醒，直接导致了薛定谔建立起薛定谔方程。薛定谔方程提供了微观粒子量子性的恰当描述。电子有三根毛：质量电荷自旋

电子的自旋是为了解释碱金属光谱线的双线结构而提出来的。可惜，薛定谔方程并不能为电子的自旋提供恰当描述。这个时候，狄拉克自问道，to deal properly with spins, one had to have another wave equation. 这个恰当描述，基本正确的说法是，就是狄拉克的电子理论，也就是电子的相对论性的量子力学；而更为彻底的说法是，需要量子电动力学(QED)。

狄拉克跨出了关键一步，所以常常说，处理电子自旋，需要用到相对论性量子力学。但是，在任何意义上，电子自旋都不是相对论性的效应! 那么，电子自旋有没有相对论性效应? 有! 例如说，电子的反常磁矩。

二，杨振宁认为电子自旋是一种相对论性效应?  NO!

文章对杨振宁的批评，在文章中的最后有一句话：

首先，我们看参考文献[11]相应部分的完整的一句话。“实验发现，电子有一种内禀的角动量，称为自旋角动量，它源于电子的内禀性质，一种非定域的性质，一种量级为相对论性的效应.”这里对电子自旋的性质做了非常详细的说明，也就是“电子的内禀性质”。既然如此，自旋就不是“一种量级为相对论性的效应”。这里的“一种量级为相对论性的效应”，很可能是一处印刷错误。

第二，杨振宁对自旋的理解，专门有《自旋》一文，其中有如下关键的一句：“但是狄拉克不是这样，他把注意力集中在相对论性的电子理论上，而且写下了漂亮的狄拉克方程。这个方程显示了自旋是荷电粒子相对论性理论的固有特征，…。”也就是，离开了相对论性理论，无法恰当描述电子自旋。所以，对自旋的理解，杨振宁无可挑剔。

一点福利：薛定谔一开始并没有立即领会到薛定谔方程方程的重要性

对此，低温物理学家，诺贝尔物理学奖获得者P.L. Kapitza在《Experiment,Theory, Practice: Articles and Addresses》p.318中提到，薛定谔在导出薛定谔方程之后，对方程的重要性评价很低，是德拜立即看出来薛定谔方程的重要性。

链接地址：http://blog.sciencenet.cn/blog-3377-1048462.html



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电子有几根毛? (II/II)  精选

已有 7059 次阅读 2008-12-24 12:08 |个人分类:拾穗记

系统分类:教学心得|关键词:物理，教学，电子

(上接“电子有几根毛? (I/II)”)

三

在很多场合，我都提到这样一个经历。

约在2001年，我到湖南省一所高校作过一次报告。在最后的提问环节，有一位同学问：“一位老师在上课时提到，力学，热学，电磁学等物理学的经典学科都已经发展完善，已经没有研究的必要了，是这样吗？”

也许有些老师或多或少流露出物理学基本理论很难有发展空间的疑虑，也许在一些老师的心目中，物理学已经不是一个产出率很高的领域。但是在课堂上这样教导学生无疑是非常错误的。当时我就觉得震惊和抱歉：我的同行怎么能把学生往死里教?

四

理论的完备和人类对客观世界的认识如何能混为一谈呢?下面以问题“电子有几根毛?”为例说明我的看法。

经典电子论(Lorentz理论)：电子只有两根毛：质量和电荷。在Lorentz时代，估计电子的经典半径，采用的模型就是全部质量来源于它静电能。

非相对论性量子力学的电子(Pauli理论)：电子有四根毛：质量，电荷，自旋和磁矩。有人可能认为自旋和磁矩只能算一个，除了回旋磁比率，自旋和磁矩的关系又电子的g因子决定。要注意，在非相对论性理论里面，这个g因子是试验给出的，不能由理论推导出来!

相对论性量子力学中的电子(Dirac理论)：电子有三根毛：质量，电荷，自旋。电子的相对论性量子力学自然给出了g=2。自旋和磁矩不是两个独立的属性！
总有学者(不乏物理学教授)认为,电子自旋是相对论性效应。其实，自旋角动量是量子力学角动量定义的必然后果，与相对论一点关系也没有。相对论性量子力学对粒子的描述必须首先知道它的自旋量子数，然后就汤下面看用Dirac方程、Klein-Gorden方程、 Maxwell方程、甚至Einstein引力场方程等来描述。为什么4分量的Dirac方程合适? 就是因为电子自旋量子数是1/2，我们非用它不可。也就是，相对论性量子力学才能提供自旋的充分描述，而g=2才是相对论性效应。进一步说，只有当求出g=2后，才能说自旋的相对论性描叙是必须的。(相同的道理，不能认为Lorentz协变的牛顿力学形式就是相对论效应。恒力作用下有质量的粒子的轨迹是悬链线等等才算是相对论性效应。)

量子电动力学(QED)中的电子(Schwinger理论)：电子的确只有三根毛：质量，电荷，自旋，但是电子有反常磁矩g=2. 002 319 304 3622(15)。现在试验值和理论预言在竞争小数点后第12位的数值，这一结果是人类理性和技术进步最为华彩的乐章之一。 当然，也不能说电子自旋是QED效应，反常磁矩才是。
  ......

电子是一个客观实在，是真正的基本粒子之一。我们的认识穷尽了吗? 物理学理论发展彻底完成了吗?不学好力学，热学，电磁学等物理学的经典学科，如何能知道电子有几根毛?毛发还有光泽否?

http://blog.sciencenet.cn/blog-3377-52563.html

http://blog.sciencenet.cn/blog-3377-52552.html



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电子自旋与物质波是什么？

已有 2675 次阅读 2014-5-3 10:16 |个人分类:太子弦：电子

系统分类:科研笔记|关键词:电子自旋 物质波

    图一     电子运动轨迹圆柱螺旋线示意图

    斯特恩和盖拉赫用非均匀磁场发现了电子自旋，可见电子自旋仍然在电磁相互作用范围内。

奇怪的是电子自旋被称为内禀性质没有经典对应，既然人能测量能区分，自旋就非内禀，用经典的磁场就能测量，自旋必有经典性质，托马斯进动也是属于经典物理。矛盾的根源在认为电子是点粒子，没有大小的点粒子在物理上不能存在。二十多年前我证明电子不会走直线，只能走圆柱螺旋线。某名期刊以电子旋转要辐射为由拒之。

    我在前面的博文中讲了电子不辐射的原因，http://blog.sciencenet.cn/blog-531273-753225.html

现在来证明为什么电子只能走圆柱螺旋线:

电子以速度向Z方向运动,产生磁场B,     ,   (是真空磁导率)            (1)
e是电子电荷，r是考查点到电子中心的距离，是r与 的夹角。

电子不是一个点，是有一个范围的小云团从到r ， 是最小半径。

                              ,                         (2)

平均磁场是，取几何平均值,                                                   (3)

                                                                         (4)

磁场使电子受到洛伦兹力的作用，向垂直于 方向(X或Y方向）以速度运动

                                                                           (5)

                                                                               (6)

                           

  将(4)式代入(6)式得：                                                                            (7)

代入    、 得出：                                                   (8)

是洛伦兹变换系数 ，      ，  是精细结构常数，

的最大值是1，最后得到：                                                                          (9)

由于 ，电子的运动轨迹是圆柱螺旋线。电子速度接近光速时，=0， 电子的运动轨迹才趋向于直线，此时电子被称为纵向极化。

    电子自旋就是电子的圆柱螺旋运动。电子只有右螺旋运动(在电子后面观察、若在电子前面迎面观察则是左旋运动)对应自旋参数    ，正电子只有左螺旋运动对应自旋参数  ，电子的磁矩与电子运动方向有关，当电子前进方向相反时其磁矩也是相反的，这样就能合理解释斯特恩-盖拉赫实验。

电子作圆柱螺旋运动时角动量守恒有:     k是常系数                                                         

                   量子化后 : λ=h/p

这就是物质波的公式，波长λ, p=mV,电子的圆柱螺旋运动在XZ（或YZ)平面上的投影是拉长的正弦波，被视为物质波是合理的。

    自由的电子和电子束中的电子都在作圆柱螺旋运动。原子中的电子也是作圆柱螺旋运动，是被原子核捕获（约束）的作圆柱螺旋运动的电子，此时电子的圆柱螺旋绕核旋转，换一个说法：此时电子在一个球壳中一边绕核作圆周运动一边进动。原子物理中有自旋角动量与轨道角动量的耦合，只有同类作用才能耦合。轨道角动量l 表示电子的轨道类型（园l=0，橢园l=1,2,...），m表示椭圆轨道的空间方向取向，只有原子中核外电子的自旋角动量s可以取值，这里表示在某m轨道中电子圆柱螺旋运动的某方向及其反方向（但是自旋参数    不变)。

    电子自旋不表示电子绕电子中心旋转，这是人们常常误解的地方。电子自旋是指电子沿前进方向作圆柱螺旋运动的旋转方向。

    对其它质量的电荷仍有：            

即任何电荷运动时的轨迹都是圆柱螺旋线，这是电荷运动产生的磁场对自身作用的必然结果，这是点粒子模型难以理解的。对于复合中性粒子如原子、中子运动时外层的电荷也产生该作用使复合中性粒子作圆柱螺旋运动。对纯中性粒子中微子则没有这种圆柱螺旋运动。

链接地址：http://blog.sciencenet.cn/blog-531273-790853.html



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