我們該如何理解物理學中的磁子概念？

2020-09-03 陀螺—上帝擲出的骰子

我們該如何理解物理學中的磁子概念？

司今（jiewaimuyu@126.com）


宇宙是磁的海洋，萬物皆磁，磁的問題研究透了，宇宙萬物的物理屬性與運動本質也就昭然若揭了。

然而，我們關於磁的起源問題的探索卻一直處在「混沌」之中：

電磁學中用安培的「分子電流說」來描述磁的起源，量子力學卻出現了基本粒子有「自旋磁矩」問題，比如自旋電子，它是目前「沒有內部結構」的最基本粒子之一，對它的磁性來源，用「分子電流說」就無法給予解釋了，那麼，我們該如何解釋自旋的基本粒子的磁性起源問題呢？

在物理學發展史中，曾出現磁子概念，想用它來描述自旋體的磁矩起源問題；自1903年起，英國物理學家J.湯姆遜、W.佛科、P.魏斯等致力於新磁學理論的發展，其中，魏斯提出：我們應該有用於描述基元磁體的類似電子的「磁子」一詞，使大鋼棒磁化是由俄亥俄州立大學的S.J.巴涅特和L.J.H.巴涅特夫人首先用實驗證明的，他們於1914年12月把這一發現送交美國物理學會。巴涅特解釋說：「如果磁子有角動量，那麼磁子將會有取向的變化，以便使它的轉動方向跟根強迫轉動的方向更加接近一致。」他於1915年期間對於轉動速度和所產生的磁的強度的比率作了更好的測定。

對此，愛因斯坦-德哈斯二人也曾涉足過這方面的實驗驗證。

1921年，康普頓在關於X射線和原子散射的文章中也曾提出，也許可以這樣認為，電子本象一個小陀螺一樣旋轉著，它可能是一個非常小的磁性粒子，並建議用它來解釋磁性的自然單位。康普頓當時只是一種猜想，而且並沒有繼續堅持它的這種看法」。[3]但因電子自旋概念能較好地解釋了斯特恩-革拉赫實驗和泡利不相容原理，最終還是被量子力學所接受和吸納，並逐漸推廣到質子、中子、光子等微觀粒子領域。

1922年，量子力學中著名的「斯特恩—格拉赫實驗」首次給出了磁子存在的直接證據，即首次證實原子在磁場中有量子化取向，從而證實了原子角動量量子化的存在。

1925年G.E.烏倫貝克和S.A.古茲密特受到泡利不相容原理的啟發，分析原子光譜的一些實驗結果，提出電子具有內稟運動--自旋，並且有與電子自旋相聯繫的自旋磁矩，至此，磁子概念就被自旋磁矩概念所取代而退出物理的歷史舞臺。

我們知道，電子自旋磁矩是沿用其軌道磁矩思路假設而來的，即電子軌道磁矩為μl=-μB.l/h)μs，電子自旋磁矩為μs=-2μB.s/h。

對此，我們就有一個疑惑：

電子是被看作是沒有內部組成結構、沒有空間大小的點，那它的自旋角動量該如何描述？角動量是一個與空間大小有關的量，電子沒有空間大小，軌道磁矩是按安培分子電流產生偶極磁子的觀點得來的，而電子沒有內部組成結構，它的自旋磁矩是由什麼繞電子中心軸旋轉而產生的呢？

由此可見，關於電子自旋磁矩的起源問題，用目前的量子力學理論是沒有辦法得以解釋的，因此，量子力學只能將電子自旋角動量和磁矩描述為「電子的內稟性角動量和磁矩」——這就等同於沒有描述一樣！

我們再看看魏斯磁子與「玻爾磁子」有什麼不同：

魏斯提出的磁子概念是想描述類似於自旋電子一樣的偶極「磁子」，即基本粒子自旋所具有偶極磁性的概念，它與量子力學中的電子自旋磁矩概念相同，但與玻爾磁子所描述的電子繞原子核運動的情況則不同，根據量子力學理論可知，與電子相關的磁矩基本單位是一常數，對之，我們可以用電子電荷的「公轉」角動量來定義出來，即μ=-emr²ω/2m=-ev²r/2，其本質與電磁學中的安培「分子電流說」所定義出來的磁偶極子概念的思路是相同的；因此，從這個意義上來說，玻爾磁子並不可以看做是一個「粒子」，而是一個「公轉系統」。

從魏斯磁子和玻爾磁子概念的比較中可以發現，對一個粒子而言，不論其有自旋角動量還是公轉角動量，它們都會產生相應的磁矩，這就體現了磁誕生的二個不同方面，即自旋生磁和公轉生磁。

但對公轉生磁系統而言，如果我們將這個系統看做是一個閉合的獨立系統，則它也可以被看做是一個「粒子」，如「氫核+電子」構成一個氫原子，那麼這個氫原子也有自旋磁矩存在，我們就可以說氫原子也是一個「磁子」。

由此可見，磁子概念如果被看做是一個「粒子」，其包含二層含義，即作為沒有任何物質組成結構的最基本粒子，如電子等，可以稱為「真磁子」；而作為有物質組成結構的「非基本粒子」，如氫原子等，可以稱它為「假磁子」。

同時，我們還應該關注：在「非基本粒子」領域，還有質子，質子等，這些粒子的組成形式又不同於「氫原子」，即它的內部組成結構不包含「公轉」形式，組成它們的「夸克」是以「晶格」結構形式出現的，即由這些「夸克」組成的質子或中子是一種「剛體」粒子，它們的自旋也會產生像電子一樣的「真磁子」......

總之，磁子描述的是旋轉質量體所產生的一種關於磁的物理效應現象，從這個意義上來說，一些具有自旋和磁場性的宏觀物體，如地球、太陽、中子星等，也都可以看做是一個「磁子」，這就像牛頓力學中將它們看作是一個質點一樣......

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