劉發(fā)興

（廣東工業(yè)大學實驗教學部，廣東 廣州510006）

1 概述

基本粒子自旋的物理實質是什么仍然是問題，目前，物理學界一般認為，電子等基本粒子是一團質量和電荷均勻分布的實體，電荷、質量、尺度以及諸如自旋等內稟屬性都是固定不變的。我們知道，這種認知對基本粒子自旋的實質不能做出解釋，不能給出自旋的物理圖象，以內稟屬性為由無法深究。然而，一般來說，既然自旋是物理規(guī)律，就應當有物理圖象。粒子物理發(fā)展到現在，已經在提出電子是否有內部結構的問題，如果有，又如何通過實驗驗證呢？

2 一種電子自旋的物理圖象

本文作者在參考文獻[1]里根據推導狹義相對論的兩個原理在邏輯上推導出的結果，認為比電子更小尺度的物質質點由于作超光速運動導致空間卷曲而自然形成的圓周運動的波包，且運動圓周的半徑是量子化的。設質點運動的線速度為v，則

k=0,1,2,…，c 為真空中的光速。由此式知道質點運動的線速度v 為 πc的半奇數倍，是量子化的。

這種質點在沒有受到中心力場的吸引作用而形成的圓周運動似乎不可思議，借鑒廣義相對論時空彎曲的思想可以推斷這也是因為空間彎曲所形成的效應。但是，兩者使空間彎曲的機制又是不同的，這個機制是什么，如何定量地表述這個卷曲的空間及其與物質的相互關系需要進一步研究探索，本文暫且不深入這個問題。

設物質質點做圓周運動的半徑為r，則[1]

L 是長度，可以任意選定，一旦選定，則r 是量子化的。文獻[1] 認為這個物質質點做圓周運動形成的波包就是粒子物理學所研究的基本粒子，從宏觀角度看r 是基本粒子的半徑，這就解釋了基本粒子尺寸不會連續(xù)變化從而保持大小不變的問題。另外，基本粒子內部的軌道角動量l 為

m 為粒子的質量。由此可知，物質質點的軌道角動量是某個值的半奇數倍，這是自然得到的結果。我們知道費米子的自旋角動量是普朗克常數 ?的半奇數倍，為此，筆者在文獻[1]中認為，費米子的自旋角動量的根源就是物質質點做線速度超光速運動而形成的圓周運動，至少粒子自旋角動量的半奇數可以得到解釋。式（3）中的軌道角動量l 就是粒子的自旋角動量。至此，基本粒子自旋的圖象就清晰了。

如果基本粒子是帶電的，如電子，則與自旋角動量l 相應的便有自旋磁矩 μl，l 與 μl之間有固定的比例關系：

e 為電子電量，me為電子質量。

電子自旋最初的物理圖象是這樣提出來的，為了解釋光譜的精細結構，烏倫貝克及古茲密特提出了電子的自旋概念。提出自旋概念時假設電子是質量和電荷均勻分布的球體，象地球自轉那樣也在繞著一個軸做機械旋轉，可是，在其他人隨后的計算中即發(fā)現了問題：如果把電子看成是質量和電荷均勻分布的球體，要使得自旋角動量達到測量數據 ?/2，或者自旋磁矩達到一個玻爾磁子，則當電子繞其軸旋轉時，其表面的切向線速度要大大超過光速，這是為相對論所不允許的。最后，這個電子自旋的物理圖象就被放棄了。其實，最初提出的這個自旋的物理圖象，即使不考慮與相對論不相容的問題，也解釋不了自旋的量子化、半奇數和同一種基本粒子大小一致等問題。

然而，從物理學的另外一些概念的發(fā)展史可以得到啟發(fā)，如光就被提出過粒子說和波動說的物理圖象，兩種學說都能解釋一部分現象，在不斷爭論和持續(xù)深入的實驗數據支持下反復改進，粒子說和波動說交替成為主流觀點，逐漸逼近實際?，F代的光粒子和光波已經不再是最初的粒子和波，因此，可以考慮是否把電子自旋最初提出的圖象改進之后能得到正確的結果，文獻[1]提出的圖象就是一種改進的粒子自旋的物理圖象。這個圖象不是想象出來的，而是通過邏輯推導出來的結果。

3 電子半徑的量子化

通過文獻[1]的推理可以知道，所謂的基本粒子并不是一團物質均勻分布的實體，而是一個比基本粒子更小的物質質點做超光速運動而形成圓周運動的波包。質點做的這個圓周運動是內在屬性的運動，故此，這個物質質點的軌道角動量就成了內稟的自旋角動量。

根據式（3），電子的自旋角動量有兩個可變參數k、r，說明，電子的自旋角動量是可以有一些變化的，文獻[1]還用此式來估算電子的半徑。取k=0，則電子半徑re關系式為

由此計算出電子的半徑re是目前物理學界估計的半徑值的半奇數關系，也從側面說明，這樣的電子自旋的物理圖像很可能是正確的。

進一步推知，目前粒子物理學里面定義的全同粒子，實際上可能有所不同。在量子力學中，把質量、電荷、自旋等內稟屬性完全相同的同類微觀粒子稱為全同粒子。全同粒子概念與粒子態(tài)的量子化有著本質的聯系。當前的理論認為，基本粒子如電子的自旋是固定的，所有電子之間沒有差別，全部電子都是全同粒子。但是，根據文獻[1]的推理，電子之間是可能有差別的。其它的費米子也有類似情況。故此，因為自旋可以變化，嚴格意義上的全同粒子也是有的，但是要嚴格得多，事實上，全同粒子概念已經沒有嚴格意義，只有近似意義。

4 相對論與量子力學既矛盾又統(tǒng)一背后的共同基礎

至今為止，物理學界對基本粒子自旋的物理圖象及其產生的根源仍然沒有定論，只能以內稟屬性名之，沒有更基本的理論來推導它。因為狄拉克所提出的電子的相對論性波動方程必有 ?/2 自旋，因此，就認為電子自旋本質上是一種相對論相應。

相對論與量子力學的統(tǒng)一是一個極大的難題，從狄拉克給出的描述電子的相對論性的波動方程中自旋的概念自然出現，邏輯上可以推知自旋與量子力學和狹義相對論的基礎必然有內在聯系，但是量子力學中又存在諸如量子糾纏態(tài)、非定域性等與相對論不相容的事實，而這兩個現代物理的基礎理論都已經被高度精確的實驗反復證明的。貌似有矛盾的兩個理論一經結合竟然能得到與實際相符的結果，這種既有內在聯系又表現有深刻矛盾的現象，背后一定有更深一層的規(guī)律能夠把兩個理論統(tǒng)一起來。文獻[1]在光速不變原理的基礎上提出了粒子自旋的一種物理圖象，這個學說是對狹義相對論擴展，所以它包含狹義相對論的全部內容，也包含超光速以及粒子波動、自旋、量子化等量子力學的基礎性內容，還有廣義相對論空間彎曲的內容。

那么，怎樣通過實驗驗證此學說呢？

5 可用光譜分析法驗證此理論

根據上文的推理可知，費米子的自旋角動量和自旋磁矩是可以發(fā)生變化的，雖然發(fā)生的變化量可能很小，但是，相應的物理效應就必然會發(fā)生改變，這些改變將會在原子光譜上表現出來。

在物理學史上，電子自旋的概念是在原子光譜的精細結構研究中發(fā)現光譜線分裂而提出來并發(fā)展的。根據本文的推理，由于自旋角動量可以有微小的改變，而且這個變化仍然是量子化的，因此，相應的原子光譜的譜線會有更加精細的分裂，姑且叫做光譜的超精細結構。

估算一下電子自旋的改變引起光波波長的改變量。根據前文的計算，設電子的半徑re保持不變，因為物質質點的線速度變化導致式（3）中k=21 變?yōu)閗=20，則計算可知，自旋角動量改變4.65%，自旋磁矩也會發(fā)生相同比例的改變。由于電子自旋引起的譜線分裂，兩條譜線的波長相差不到1nm，大約是0.6nm。譜線的進一步分裂，譜線之間的波長相差 0.6× 0 .0465 =0.0279nm。式（3）中，k 還能取其它值，所以，譜線會分裂成多條。這些分裂的譜線之間的波長間隔非常小，需要比研究光譜精細結構儀器更精密的儀器才能觀測到超精細分裂的光譜。

另外，設k 不變，r 改變，根據式（3），自旋角動量和自旋磁矩也會發(fā)生相同比例的改變。這樣，也會引起光譜的分裂。

由于電子的自旋有兩個可以改變的參數，所以，光譜的超精細結構就變得很復雜了，原來的一條光譜線將分裂成多條。

6 結論

本文作者根據狄拉克結合相對論和量子力學給出的描述電子的相對論性波動方程中自旋的自然出現的客觀結果，以及量子力學中又存在諸如量子糾纏態(tài)、非定域性等與相對論不相容的現象，推知量子力學與狹義相對論的基礎必然有內在聯系，它們的背后非?？赡苡懈钜粚拥囊?guī)律把兩個理論統(tǒng)一起來，為此，在提出了一種電子自旋的物理圖象的時候似乎看到了兩大理論統(tǒng)一的端倪，并探討了通過精密的光譜實驗進行驗證的方法。如果實驗檢驗此理論的正確性，則可以說是相對論（包括狹義相對論和廣義相對論）與量子力學在某種程度上得到了統(tǒng)一。