​粒子自旋的产生原因和衍生效应
王海东
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王海东,. ​粒子自旋的产生原因和衍生效应[J]. 核工业与技术,.. DOI:10.12721/ccn.2021.16508.
摘要:
自旋不仅是粒子的一种内禀属性,而且是粒子的一种最重要的内禀属性。这种内禀属性不仅与粒子的其他内禀属性具有密切联系,而且与粒子的各种相互作用具有密切联系。超导体的科学实验和科学研究证明:要想对粒子的各种相互作用做出合理解释,就必须对粒子自旋的产生原因和衍生效应做出合理解释。如果不能对粒子自旋的产生原因和衍生效应做出合理解释,就不能对粒子的各种相互作用做出合理解释。
关键词: 粒子自旋牛顿第三运动定律库仑定律
DOI:10.12721/ccn.2021.16508
基金资助:

正文:20.png那么,粒子是怎样产生自旋的呢?要想回答这个问题,就必须从牛顿第三运动定律说起。21.png

从这个数学表达式来看,如果将功定义为某个质点沿着作用力的方向产生的位移,将力矩定义为某个质点通过位移与反作用力产生的距离,当位移与作用力和反作用力的夹角符合一定条件时,功和力矩就会同时出现在一个直角三角形上。功就会构成这个直角三角形的斜边,力矩就会构成这个直角三角形的对边,作用力和反作用力就会构成这个直角三角形的邻边,这个直角三角形的内角和就会构成某个质点的自旋角度。某个质点就会在位移过程中产生一百八十度自旋,某个质点就会通过位移过程形成一条闭合曲线,某个质点就会沿着这条闭合曲线从位移的终点回到起点,某个质点的位移过程就会变成一种保守力的做功过程。由此可见,质点自旋来源于保守力做功。保守力做功就是质点自旋的产生原因。

根据以上分析,我们可以推出一个十分重要的力学定理:在保守力做功的条件下,某个质点将会往返于位移的起点和终点之间。如果某个质点的往返次数为偶数,某个质点就会在位移过程中产生正整数自旋。正整数自旋就是以三百六十度作为计算单位的、等于某个正整数的自旋。如果某个质点的往返次数为奇数,某个质点就会在位移过程中产生半奇数自旋。半奇数自旋就是以一百八十度作为计算单位的、等于某个奇数的二分之一的自旋。如果某个质点的往返次数为零,某个质点就会在位移过程中产生零自旋。零自旋就是以零度作为计算单位的、等于零的自旋。这个力学定理就是质点自旋定理。22.png23.png

我们不难发现:如果将正整数自旋和零自旋定义为整数自旋,质点自旋定理就可以解释粒子自旋的产生原因。因为,粒子根据统计方法的不同可以分为费米子和玻色子。费米子就是服从费米-狄拉克统计的、具有半奇数自旋的粒子。玻色子就是服从玻色-爱因斯坦统计的、具有整数自旋的粒子。费米-狄拉克统计就是满足泡利不相容定理的统计方法。玻色-爱因斯坦统计就是不满足泡利不相容定理的统计方法。泡利不相容定理就是不能有两个或两个以上粒子在同一空间内处于相同状态的量子力学定理。但是,我们又会发现:粒子包括带电粒子和不带电粒子。质点自旋定理只能解释不带电粒子自旋的产生原因,不能解释带电粒子自旋的产生原因。因为,带电粒子的质点运动不仅会遵循牛顿第三运动定律,而且会受到电磁相互作用的影响。

那么,带电粒子是怎样产生自旋的呢?要想回答这个问题,就必须从库仑定律说起。

24.png从这个数学表达式来看,当静电力来源于两个同号点电荷时,静电力就会通过静电斥力的形式表现出来。当静电力来源于两个异号点电荷时,静电力就会通过静电引力的形式表现出来。静电斥力和静电引力的关系就是作用力和反作用力的关系。由于每个点电荷都同时具有静电斥力和静电引力,所以每个点电荷都试图离开同号点电荷接近异号点电荷。但是,假定每个点电荷都必须遵循质点自旋定理,每个点电荷就必须往返于位移的起点和终点之间。在这种情况下,如果每个点电荷附近不存在与自己具有相同行为的同号点电荷,每个点电荷就会通过奇数往返次数离开同号点电荷接近异号点电荷。如果每个点电荷附近存在与自己具有相同行为的同号点电荷,每个点电荷就会通过偶数往返次数离开同号点电荷接近异号点电荷。如果每个点电荷的位移时间超过其存在时间,每个点电荷就会通过零往返次数离开同号点电荷接近异号点电荷。

根据以上分析,我们可以推出一个十分重要的力学定理:在静电斥力和静电引力同为保守力的条件下,遵循泡利不相容定理的点电荷就会在位移过程中产生半奇数自旋,不遵循泡利不相容定理的点电荷就会在位移过程中产生正整数自旋,位移时间超过其存在时间的点电荷就会在位移过程中产生零自旋。这个力学定理就是点电荷自旋定理。25.png

已知26.png27.png

我们不难发现:如果将不带电粒子视为可分粒子,点电荷自旋定理就不仅可以解释带电粒子自旋的产生原因,而且可以进一步解释不带电粒子自旋的产生原因。因为,构成可分粒子的不可分粒子为夸克。夸克属于带电粒子。但是,我们又会发现:粒子包括传播子和非传播子。点电荷自旋定理只能解释非传播子自旋的产生原因,不能解释传播子自旋的产生原因。因为,传播子不能与其他粒子发生相互作用,只能在不同粒子之间传递相互作用力。

那么,传播子是怎样产生自旋的呢?要想回答这个问题,就必须从传播子的共同特征说起。28.png29.png

到此为止,我们已经把粒子自旋的产生原因说清楚了。现在的问题是:粒子自旋具有哪些衍生效应呢?下面,我们就来进一步回答这个问题。

从点电荷定理来看,粒子自旋具有五个十分重要的衍生效应。第一个衍生效应是电偶极子效应。电偶极子就是具有电偶极矩的点电荷。电偶极矩就是通过两个异号点电荷的自旋距离形成的距离。电偶极子包括无极子和有极子。无极子就是电偶极矩为零的、不具有极性的电偶极子。有极子就是电偶极矩不为零的、具有极性的电偶极子。第二个自旋效应就是库珀对效应。库珀对就是由两个自旋相同自旋方向不同的同号点电荷构成的一对点电荷。第三个自旋效应就是同位旋效应。同位旋就是由两个或两个以上自旋状态不同的粒子构成的一种自旋状态。第四个自旋效应就是轨道旋效应。自旋会使粒子在位移过程中产生角速度。在角速度的推动作用下,粒子就会逐渐从直线运动进入曲线运动,粒子就会在自旋的同时产生轨道旋。轨道旋就是沿着一条闭合曲线不断旋转的自旋。第五个自旋效应就是自旋磁矩效应。自旋磁矩就是通过带电粒子的自旋电流形成的磁矩。磁矩等于电流与电流回路面积的乘积。

根据以上分析,我们可以推出一个十分重要的力学定理:如果将自旋磁矩视为一个静电场,将自旋电流视为这个静电场与外场的分界线,将分界线与这个静电场中心的连线视为静电斥力的作用范围,将垂直于这个静电场中心的连线视为静电引力的作用方向,就可以将这个静电场视为包含在外场之中的静磁场,并将构成这个静电场的自旋电荷视为磁荷。磁荷就是具有磁性的电荷。这个力学定理就是磁电统一定理。30.png

从传播子自旋定理来看,粒子自旋具有四个十分重要的衍生效应。第一个衍生效应是传播子的产生条件效应。发生相互作用的两个粒子不是无条件产生传播子的。传播子的产生条件是发生相互作用的两个粒子的自旋和必须等于1,即发生相互作用的两个粒子的自旋必须各自等于1的二分之一。第二个衍生效应是传播子的能量来源效应。由于传播子的自旋来源于发生相互作用的两个粒子的自旋,所以传播子的能量也来源于发生相互作用的两个粒子的自旋能量。由于传播子的能量来源于发生相互作用的两个粒子的自旋能量,所以传播子只能通过在两个粒子之间传递自旋能量的方式来传递相互作用力。相互作用力等于两个粒子的自旋能量和。自旋能量等于质量与自旋速度平方的乘积。第三个衍生效应是传播子的运动质量效应。不管传播子的静止质量是否等于零,传播子的运动质量都会大于零。传播子的运动质量来源于包含在自旋能量之中的质量。第四个衍生效应是传播子的光速运动效应。不管传播子是否属于光子,传播子的运动速度都必须达到光速。因为,传播子只能以量子为单位传递自旋能量。量子等于普朗克常数与电磁辐射频率的乘积。电磁辐射就是以光速运动的电磁波。

根据以上分析,我们可以推出一个十分重要的力学定理:只有在某个粒子的自旋速度达到光速的条件下,这个粒子才能与另一个粒子发生强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用。如果某个粒子的自旋速度低于光速,这个粒子就不能与另一个粒子发生强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用。这个力学定理就是强弱电统一定理。31.png

综上所述,自旋不仅是粒子的一种内禀属性,而且是粒子的一种最重要的内禀属性。这种内禀属性不仅与粒子的其他内禀属性具有密切联系,而且与粒子的各种相互作用具有密切联系。超导体的科学实验和科学研究证明:要想对粒子的各种相互作用做出合理解释,就必须对粒子自旋的产生原因和衍生效应做出合理解释。如果不能对粒子自旋的产生原因和衍生效应做出合理解释,就不能对粒子的各种相互作用做出合理解释。

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