很多年前我在这里介绍过磁旋等效原理,只有沈建其先生说过没有新意之外,其它童鞋们没有发表见解,朱先生有相同的思想,不妨再讨论一次。 我2004年在理论杂志发表的《自然和衰变是相互作用的基础》算是第一次公开磁旋等效的思想,它是我的自旋衰变模型的核心部分。这里介绍自旋与电磁相互作用,及磁旋等效原理。没有什么新的内容,都是从我现成的书中自制粘贴的,我已经很久没有考虑这些虚幻的东西了。 自旋与电磁相互作用主宰物理学规律的除了物质的变化之外,还有就是物质的运动。物质的衰变产生了万有引力,物质的自旋和衰变共同作用产生了电磁力,包括库仑力和磁力。 自旋是人们非常熟悉的运动,只是人们以前没有意识到它与电荷和电磁力之间的内在联系。我研究电磁力和自旋的关系始于上个世纪80年代中期,当时我用这种理论计算太阳系所有天体的质磁磁(指中性物质自转产生的磁场,这部分内容将在以后讨论)。其中引发我考虑这个问题的是发电机和电感线圈的工作原理。还有一个契机是我研究如何把自旋角动量转变成直线运动的动量,把自转动能转变为直线运动的动能。我当时一直想设计一种飞碟发动机,想靠飞碟内部的旋转运动的动能变成飞碟的直线运动的动能。结果可想而知,这种发动机就是做不出来。后来我终于意识到,没有两个物体的相互作用是不可能把角动量变成动量的,于是就自然地联想到了自旋粒子之间的电磁相互作用:自旋粒子的角动量变化必定引起两个粒子之间的相互作用,这就是电磁相互作用。后来,我就把角动量转变为动量的飞碟发动机称为"库仑力发动机"。要是你真能发明库仑力发动机,让飞碟内部的角动量转变为飞碟前进的动量,超光速宇宙航行就不再是梦想,宇宙的诺亚方舟就真的做出来了。这将是一件非常令人激动的事。 角动量要转变为动量,转动动能要转变为动能,最直接的就是通过电磁相互作用来完成。电磁能转变为直线运动的动能似乎也只有通过电动机的转子转换才能获得最高的效率,一定不会有人用电加热水蒸汽,再通过蒸汽机带动电车运动。电能不就是粒子的自旋动能转变来的么?再想象一下,你用什么方法让自旋的自由粒子运动起来?用手推它行吗?一个自旋的粒子要使另一个自放的粒子动起来,不改变它们的角动量行吗? 如果说万有引力作用一定伴随着动量的变化,则电磁相互作用除了伴随动量变化之外必定伴随着角动量变化。并且电磁相互作用中动量的变化和角动量的变化是相关的,平动动能和自旋动能的变化是相等的。所以,我想在这里给电磁相互作用一个新的定义:电磁作用是指粒子的角动量和动量相互转化的相互作用。电磁相互作用与自旋之间存在等效关系,这就是磁旋等效原理。 所以,电磁相互作用最大的特点是粒子的自转动能和平移动能之间的转变,用一句话来概括就是:电磁相互作用是粒子的自旋能量和平动能量相互转变的相互作用,在电磁相互作用中,粒子的自旋动能与平动动能的变化完全相同(这是由电磁相互作用的特征和定义确定的关系)。 关于库仑力与粒子自旋运动之间的定量关系是个非常复杂的问题,必须通过专业论文的论证才能清楚。可是,大家对于物理学公式可能早已形成逆反心理,所以,在本书中我只想用简单的语言介绍其中的原理性问题。以电子为例,自旋的电子吸收或辐射自旋的光子(或质磁子)时,库仑力产生的力矩等于电子角动量的变化率。量子力学已经揭示,电子吸收的角动量必须是普朗克常数的正整数倍,据此,从角动量变化率可以导出库仑力公式。有关详细推导过程可参考我在APEIRON上发表的论文,或参考我的《自然系统的物理学原理》一书。如果我在这里用公式和定理论证出来,肯定吓跑大部分读者。所以,我尽量不用方程来论证我的观点。 概括起来,万有引力是动量的变化率,电磁力是角动量的变化率,它们形成了自然界最完美的对应关系之一。
13 磁旋等效原理万有引力是物质动量变化引起的惯性力,电磁力是物质角动量变化引起的惯性力。与电磁力相关的是引起自旋角动量变化的力矩,力矩等于角动量的变化率。电磁力不仅与角动量的变化率有关,还与粒子的大小(半径)有关。电磁力与旋转体单位半径内的角动量变化率等效,这便是磁旋等效原理。 磁旋等效意味着任何具有自旋的系统都等价于一个电荷体,在自旋系统内部运动的自旋系统等价于在磁场中运动的电荷。 现在讨论一个问题:独立自旋系统内的观察者是否有可能用系统内部的实验来判断该系统的运动状态?一般人们认为,该观察者是有可能通过实验确定该系统的运动状态的。譬如说,他可以通过傅科摆或旋转陀螺的进动来判断该系统的旋转运动状态。实际上,这个观点是错误的,因为这种观点使用了先验论,认为傅科摆或旋转陀螺的进动是由参考系的自转引起的。如果允许使用这种先验论的话,我们也能在爱因斯坦的密封仓中发现惯性力和引力的区别。但实际上引力和惯性力无法通过动力学实验来区分,电磁力与自旋参考系中由于角动量变化所表现的力(包括科里奥利力)也无法区分,自旋参考系内的观察者无法区分到底是电磁力使傅科摆或自旋陀螺进动还是参考系的自旋运动使它们进动,因而他既有理由认为它们的进动是由参考系自旋引起的,也有理由认为是由磁力作用产生的。如果他不参考别的参考系(在宇观系统状态下他也无法参考别的参考系),他是不能通过参考系内部的任何实验来确定该系统的运动状态的,除非他彻底放弃了电磁力这一物理概念。这一情形与加速的密封电梯内的观察者所观察到的情形完全相同,他可以认为他是处在引力场中,也可以认为他是处在加速的参考系上,除非他放弃引力的概念。这里,旋转的陀螺相当于电荷体,旋转参考系相当于外加磁场,旋转陀螺在旋转参考系中的运动规律与电荷在磁场中的运动规律相同。 我们已经知道,在引力场中自由加速下落的参考系等价于匀速的参考系,在引力场自由加速运动的参考系内的一切物理实验都无法判断该参考系是在引力场中加速运动还是匀速运动,这是外引力场与加速参考系的惯性力相抵消的结果。与之类似,在磁场中自由转动的参考系(如电子参考系)也完全等价于匀速惯性系,在该参考系上的一切物理实验都无法判断该参考系是转动参考还是匀速惯性系,这是外磁场与转动参考系的惯性力相抵消的结果(图13.1)。在没有引力场的空间加速运动的参考系内部存在一种力,参考系内部的物理实验无法区分它是惯性力还是引力,类似地,在没有磁场的空间旋转的参考系内部有一种力,该参考系内的物理实验无法区别它是转动引起的惯性力还是电磁力。通过比较,相信大家能明白磁旋等效原理的真正含义了。
图13.1 外磁场与自转抵消的惯性系
然而,更严重的问题在于,当我们接受了磁旋等效原理后,能否通过参考系内部的物理实验确定参考系的运动状态这一问题仍然还没有答案。这不是系统相对性原理或系统等效原理本身的问题,而是我们应该怎样对待物理学中有重要地位的引力和电磁力的问题。基于系统等效原理,如果我们愿意放弃万有引力和电磁力的概念,把它们看作是(实际上也是)运动状态变化的结果,我们实际上是可以通过物理实验确定非惯性参考系的运动状态的。举个例子说明一下,地球上的物体都有向下的重力,我们完全可以认为是物体本身做向下作加速运动,只不过地球阻止它的运动而表现出惯性力的作用。在引力场中自由下落的参考系正是它本来的加速运动状态(而不是地球对它施加引力的结果,实际上,地球对物体的引力是不存在的)。从运动的相对性角度分析,观测到引力的参考系本身是(相对运动)向上加速的参考系,它的(相对运动的)加速度等于观测到的引力加速度。在引力场中观测到的自由下落的参考系是加速参考系中观测到的自由下落的参考系,观察者观测到的自由下落参考系与观测者保持相同的加速状态。如果我们放弃引力的概念,我们就可以通过参考系内部的实验确定参考系本身的加速运动状态。但引力的引入和使用能使物理定律具有最简明的形式,放弃引力可能就相当于放弃了物理学。同理,如果放弃电磁力的概念,我们则可以认为存在电磁力的参考系本身是旋转的参考系。例如,受库仑力和磁力作用的电荷本身是自旋的粒子,存在科里奥利力作用的参考系是旋转的参考系,这样,我们就可以通过参考系内的实验确定非惯性系的运动状态,使物理学重新回到牛顿动力学的年代。
※※※※※※ 黄氏时空由光频多普勒红移定义可变时间单位秒t'=tsquart[(C-V)/(C+V)].时间秒的变化导致了可变光速C'=Csquart[(C-V)/(C+V)].光速的变化导致了可变距离单位米l'=lsquart[(C-V)/(C+V)].黄氏自旋衰变相互作用模型:引力=动量时间变化率,电磁力=角动量时空变化率.超光速C=2ZM/r |