3、磁性起源与自旋
从目前物理学已有的研究理论成果来看,物质磁性的起源有二种假说形式:
3.1、安培分子电流假说
安培认为,在原子、分子等物质微粒内部存在着一种环形电流--分子电流,使每个微粒成为微小的磁体,分子的两侧相当于两个磁极.通常情况下磁体分子的分子电流取向是杂乱无章的,它们产生的磁场会互相抵消,对外不显磁性;但当有外界磁场作用后,分子电流取向就会大致相同,内部分子间相邻的电流作用会相互抵消,而表面未抵消的部分,就会显示出宏观磁性来。
安培分子电流假说在当时人们对物质结构知识甚少的情况下是无法得以证实的,因此,当时人们普遍认为它带有相当大的臆测成分;但在今天,我们已经了解到物质由分子组成结构层次,即分子是由原子组成的,原子中有绕核运动的电子......因此,安培分子电流假说有了实实在在的物理内容,它已成为人们现代认识物质磁性起源的一个重要理论依据。
但与安培同时期的德国物理学家塞贝克曾反对安培分子电流假说,他认为,磁是更为本质的东西,电流则是磁作用的结果。
今天,我们从现代物理学角度来看安培分子电流假说,它存在一个致命的弱点,即这种假说不能够解决基本粒子磁性起源问题,这就间接证明了塞贝克的“反对”是有一定科学道理的。
3.2、物质自旋假说
3.2.1、微观方面
为了解释施特恩-格拉赫实验、碱金属精细结构分裂及反塞曼效应等问题,1925年,乌仑贝克与古兹米特联合发表了关于电子自旋假设的论文,在这篇论文中,他们认为电子自旋会产生自旋磁矩,即电子自旋可以产生自旋磁场,这被物理学认为是物质磁性的第二个起源。
但量子力学提出的自旋磁矩假说,也有一个致命弱点,那就是对于点粒子而言,无法从物理原理上给出自旋与其磁矩的内在联系及理论定量,因为点粒子是没有内部组成结构的最基本粒子,如电子、光子等。
对此,我们认为,现代物理学在研究物质自旋问题上缺失了一个重要环节,那就是对物质自旋所产生的物理效应问题探讨的缺失,这也是牛顿力学和经典电磁学遗留下的重要问题。
3.2.2、宏观方面
1947年,英国物理学家、1948年诺贝尔物理学奖获得者——布莱克特曾提出,任意一个旋转质量体都具有磁矩,它与旋转体内是否存在电荷无关;他认为,地球和其他天体的磁场都是在旋转中产生的,也就是说星体自旋生磁,就好像电子转动能产生磁场一样。
但是,这一假说在试验和天文观测两方面都遇到了困难,因为在现有的实验条件下,还没有观察到旋转物体产生的磁效应,而对天体的观测结果表明,每个星球的磁场分布状况都很复杂,尚不能证明星球的旋转与磁场之间存在着必然的依存关系。
因此,布莱克特后来发表声明,说他放弃这种假说。
不过,值得说明的是,无论地球表面测得的地磁场方向如何发生变化,但在太空中地磁场的方向却始终不变;因为在太空中测得的地磁场是整个地球自转产生的旋转质量场效应,它并不会因为地壳与地核相对速度的改变而发生变化;根据左手定则,在太空中测得的地磁场的N方向始终在地理南极上空。
目前,有人提出,将安培分子电流观点与量子力学自旋磁矩理论相结合去探讨讨宏观自旋物体磁性起源问题(参考附录1:《浅析旋转体假说》)。
他们认为:在电磁感应效应中,通电导体产生的磁场强度与电流强度成正比,即与导体内“定向移动”的自由电子数目成正比;而每个电子的自旋角动量又是恒定的,所以磁场强度实际上是与所有电子的自旋角动量之和成正比。
同理,宏观物体产生的磁场强度,也应与旋转质量场的角动量成正比,即与物体的质量和自旋角速度成正比,与质量场的旋转半径(观测点到物体质心的距离)成反比。
用公式表示为:
H = f mω/r = f 0 m / T r (f 0为常数,T为自转周期,r为旋转质量场半径).
根据这一公式,在地球表面测得的磁场强度H,只与地核的质量成正比,角速度ω的取值为地壳与地核自转角速度之差,r为地球的半径(地磁场强度为5×10-5特斯拉)。而地球在太空中形成的空间磁场,其磁场强度与整个地球的质量成正比,与地球的自转角速度成正比(近似值),与观测点到地球中心的距离成反比。
因此,在近地球的宇宙空间,地球所形成的空间磁场强度大于地表的磁场强度;空间磁场的最大特点是磁极恒定,不会像地球表面磁场那样发生磁极倒转现象,这就是自旋磁场与耦合磁场的根本差异。
3.3、我的行星磁场观
从九大行星有关数据来看,行星磁场强度和行星自转应该有密切相关,例如:金星,它和地球其它参数很接近,但它的自转速度却很慢,因此表现出几乎没有可观的磁场表现;而自转周期短的其他行星几乎都有强磁场,如:木星、土星等;所以,我们认为,行星磁场应该来源于它们本身所具有的质量与其自旋角速度。
如果我们把行星看作是一个“类刚体”,依据我的“自旋生磁”理论,则行星自旋所产生的磁量大小就可以用qm=mω来予以定量,如果是类似于罗兰圆盘那样的旋转方式,则可以用qm=mΩ(Ω是公转角速度)来予以描述。
自旋生磁:qm=mω
现代物理学已证明,微观粒子都有自旋,同时也都有自旋磁矩存在;宏观天体也都有自旋,同时也应有磁场存在,天文观测证实了这一点,而且天体所具有的磁场强弱确实也与其自旋角速度大小有关。
例如:中子星由于其自旋快、质量大,虽其体积很小,但却能够表现出极大的磁性,故它会在其周围空间表现出极强的磁场分布,同时,这种强大的自旋磁场使它对周围其它存在物体磁场的星体产生强大的吸引力;又如木星、土星、海王星等,因其自旋速度和质量都比地球大,故其表现出的自旋磁场就比地球强;再如金星,虽其质量比火星、水星大,但因其自旋速度较小,故其表现出的自旋磁场就比火星、水星弱。
我们可以以金星与火星为例,通过计算作以比较:
设金星质量为m(金)、自旋角速度为ω(金),火星质量为m(火)、自旋角速度为ω(火),依据qm=mω计算,则得:
q(金)=m(金)ω(金)=4.83×10^24×2π/243×24=0.0052(kg/h).
q(火)=m(火)ω(火)=6.4×10^23×2π/24=1.67467(kg/h).
故有q(火)>q(金),这表明金星对外空间表现出的磁场要比火星弱得多。