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——回復王老師之提問邱旭濱2022年6月26日于廣州摘要：量子力學發(fā)展初期，科學家提出了電子自旋概念，但自旋被認為是量子力學的特征，而不是經(jīng)典的自旋。因為科學家認為若按經(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知。本文深入探究了電子自旋的歷史過程，從實際出發(fā)，結合經(jīng)典與量子力學理論，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。基于電子運動變化的復雜性，不能片面地看待問題。關鍵詞：電子自旋超光速一、前言在量子力學發(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結構時引入了量子數(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。其導師埃倫費斯特認為如果將電子看作是帶有電荷的轉動小球，那么它產(chǎn)生的磁矩公式前要加一個因子2，即朗德因子。但洛倫茲認為如果電子像小磁陀螺自旋，表面轉動速度就要超光速，這違背了當時光速是極限速度的結論。當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動慣量的角度來看泡利是怎樣認為電子自旋會導致其轉動速度超過光速的。設電子為一剛體球，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，自轉角速度為ｗ，自旋角動量為?/2，則有：轉動慣量：線速度：自轉角動量：量子力學角動量：故有： 令ｖ為光速ｃ，則有：這意味著半徑在此以下，都可能導致超光速的出現(xiàn)。當然這是在取量子力學角動量為的情況下。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，可以發(fā)現(xiàn)存在一個重要的問題，如下：按照量子力學，若取自旋角動量：則對應的磁矩為：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導出。其中的２倍，就是當只考慮自旋角動量時對應的朗德因子。而玻爾磁子實際上可通過經(jīng)典理論直接導出：也就是說，量子力學通過調整自旋角動量，把自旋１/２調整為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整系數(shù)來調整數(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]到關于電子自旋磁矩這個問題，量子力學是通過調整系數(shù)來滿足實驗值，所以，上述在考慮自旋超光速時，就不應該忽略這一事實。故而也必須考慮把1/2自旋量子數(shù)調整為1。即自旋角動量要改為：。同時，對于電子的轉動慣量也要根據(jù)實際作調整。上述中把電子球視為剛體球。把轉動慣量按計量。實際上，這是把它視為由各質點均勻分布的球體。但我們只要比照熱力學，便可以知道，對于由同質構成的且以某速度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成的質量體，必有。當然，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，從科學的經(jīng)驗上，基本粒子是漩渦質體是更可信的?；诖?，電子的轉動慣量應該為：，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。這樣在數(shù)理上便與經(jīng)典達成了一致。見下：當速度取光速時就有：實際上如果從經(jīng)典理論看，我們從電子的質能與光速及半徑的關系，可知電子的極限半徑只能是康普頓波長對應的半徑： 當然，這是在默認電子的自轉為封閉的情形。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，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量制約的。這一量子化的特征就是，三者緊密結合，不能分開，并構成了電子質能的基礎，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，就是電子質能量子化。即（具體可參考《康普頓實驗中的“質速關系”是量子效應而不是相對論效應》），這一關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，只要正確認識電子的剛體實質及認識到量子理論在處理電子自旋問題時調整了相關系數(shù)，就能復原回歸經(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，人類對宇宙的認識仍然在不斷的深入當