电子的自旋困惑(Spin Confusion of Electron)

Zhen-hua Mei    

关键词：基本粒子、自旋角动量、超光速、狄拉克、对易性

电子自旋是众所周知的科学基本认同，广泛写入科普作品和大学乃至中学的教科书。如题所冠，所谓困惑，想必是由于其关联到电子自旋的进一步诠释（即：自旋是电子的内禀属性，不能将电子自旋理解为宏观概念下的自转或自旋，或者说电子自旋不能理解为电子真的在那里自旋，而是量子属性。因为，如若不然，按照实测的电子自旋角动量和估计的电子经典半径（~ 10^-15 m）推算，电子的边界将远超光速，是不可接受的）。诚然是也，但笔者以为此事不要如此简单。

电子自旋概念最早孕育于1925年泡利为解释元素周期率而提出的不相容原理。同年，荷兰物理学家乌伦贝克和古兹密特受到泡利不相容原理启发，分析原子光谱的一些实验结果，首先提出了电子具有内禀运动的自旋概念，而使这一概念真正得以确立的是1928年英国的狄拉克。狄拉克首次将相对论效应纳入用于描述原子核外电子运动状态的薛定谔方程中形成狄拉克方程，在求解狄拉克方程过程中，为保持哈密顿算符与角动量算符的对易性，在方程的角动量算符中插入了或者说求解得到了一个四阶矩阵旋量，该旋量在三维各方向上角动量本征值均为，量子数取值为。从而在理论上印证了电子的自旋（同时预言了正电子），很好地解释了原子的磁性由来和泡利不相容原理。由此，电子自旋概念被科学界普遍认同和接受。

仔细分析我们看到，狄拉克理论所印证的严格来讲是个矩阵旋量，而将该旋量对应于电子自旋则是主观的臆测，不严密。笔者认为如果将该旋量对应到“电子的波尔轨旋”（波尔轨道旋转）则更为合理，电子的波尔轨旋是磁性产生的根本原因。量子力学是对电子运动后果的统计描述，量子力学中的轨道角动量本质上是由电子云空间不均等分布即方向性（p, d, f轨道）而产生的统计角动量，统计的基础是电子的波尔轨旋角动量，电子的波尔轨旋是第一性的原生的，轨道角动量则是统计的派生的。对于s轨道，由于其电子云空间均等分布，各方向正负角动量完全抵消，因而统计角动量为0，不具有统计磁性。总之， “电子自旋的本质就是电子的波尔轨旋”。主导量子力学诠释的哥本阿根学派不愿讲电子的波尔轨旋，是因为其从根本上不认同电子有所谓运动的轨迹存在。轨迹概念与量子力学确实不相容，但他们忽视了量子力学只是个唯象理论，是个统计的而非实时描述，严格来讲轨迹不是冲突，只是量子力学从方法上无从涉及和描述轨迹，即便考虑到不确定性也只限于10^-17 m数量级，不影响电子在原子的10^-11 m尺寸范围的存在性。再者，在狄拉克和薛定谔方程中电子是以无尺寸大小的质点形式进入的，如果真实地解出个电子的自旋性质来就失去了逻辑上的关联性，是奇怪的和无法理解的。

既然电子自旋的本质是波尔轨旋，那么作为实物准基本粒子的电子是否还会存在自身所谓真正的自旋呢？依据B. Feng的物理理论，对于准基本粒子的电子（包括质子）来说不存在自旋或者说其自旋没有意义。在B. Feng的理论体系里，电子和质子本质上都是光子环绕时间轴在封闭空间中的一种波动运动，是旋动的光子产生了实体感的电子或质子，因此将电子和质子作为一个实体谈自旋是没有意义的，如同基态的氢原子不存在有否自旋一说，再好比太阳系如不考虑中心的太阳也不存在有所谓太阳系的自旋或自转一说。也就是说，对于一个没有或没有确定定式或结构的旋动体系谈论其自旋是没有意义的。如果愿意，我们可以把由光的这种旋动所产生粒子勉强称作该粒子的自旋，从这个意义上说自旋的内禀属性有了其真实的内涵机制，没有自旋粒子就没有存在性，自旋是准基本粒子存在的方式和前提，值得注意的是该自旋表现为电荷性而不产生任何磁性效应。

至此，需要明确指出的是，电子自旋的说法按其原意至少可以说是用词不当或说是张冠李戴。虽如此，但考虑先辈科学家们在此方面对科学的重大贡献和人们的习惯，也可考虑继续沿用“电子自旋”概念，但要把话说清楚，需要附上合理的诠释，不能再说电子自旋而又非真的在哪里自旋这种似是而非的胡话。“知之为知之，不知为不知，是知也”，我们要直面问题对后人负责，杜绝科学的玄学化倾向。由于个体及时代的局限性，前辈科学家的成果中或不免有少许疏忽或不完备的漏洞，需要我们在新的历史条件和新的时代背景下补充完善，不能让权威禁锢了科学发展的思想。试想，在继量子力学建立至今100多年来，其间我们有多少人照搬使用电子自旋概念进行了传授和科研，在电子自旋问题上有多少不是得过且过听之任之用之，对学问的玄学化放任自流习以为常，又有多少自允物理大伽对此不假思索人云亦云慷慨激昂地讲玄话，甚至不以为耻反而为傲推波助澜，这是科学界需要警惕和反对的！

结论：电子自旋本质上指的是电子的波尔轨旋，“电子自旋”概念实属用词不当。字义上电子的自旋没有意义，电子没有自旋，唯有封闭旋动的光。

电子自旋困惑.pdf