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磁性与电子自旋

已有 13000 次阅读 2021-9-4 10:12 |个人分类:物理新视点|系统分类:论文交流

磁场中的物理问题

晏成和

一、说说电子

一百年前的科技，无力检测到核外电子的规律运动，思想也没有遵循大自然给出的规律之路，导致电子云理论、测不准理论悄然形成。

20世纪初，双缝实验证实电子具有波动性；光电实验“证实”了光的粒子性。于是对物质的探索变成了是波还是粒子的争论，研究对象从物理学中具体的电子和光，偷换成面对所有波、粒群体及其哲学概念的讨论。

波、粒混杂的物理实验正是反思电子与波之间伴生关系的绝佳时机。可惜，时运不济。相对论、量子论趁虚站台，普朗克公式、光量子方程、波函数炫耀登场、探索者叩拜数学成为物理的主宰，导致了物理学几十年迷茫。一方面在数学上寻求出路，一方面在波、粒二象之间纠结。

量子理论告诫：探讨核外电子运转的线路、速率是经典物理、是低级思维，于是划界了科学探索的禁区。所有的研究者都不能、也不敢探讨电子绕核运转、及其运转后果等问题。

读到这里，有朋友会问：量子物理的禁锢，物理学连核外电子公转的线路、速率都不敢探讨、不能涉足，为什么却能高谈阔论、精确计算电子自旋？

是啊，研究爷爷（物质、原子），不准涉及儿子（电子运动），只能找孙子（电子自旋）。酒吧女郎都能感到明显的逻辑断层，物理大咖却乐此不疲。

二、银原子实验

谈到电子自旋必须要介绍一个著名的实验（银原子实验）。

1921年，斯特恩和盖拉赫设计了一个简单实验，他们让银原子束通过非均匀磁场B，如图一。他们惊奇地发现从磁场射出的银原子束分裂为上下对称的两束。右图上的“嘴唇状”是他们的意外收获、右图下的线状是之前设想的结果。[1]

因为禁忌探讨核外电子运转的线路、速率。面对原子束经过磁场后的分离，人们不能解释、陷入困境。

图一

(此图借用于黄秀清的博客，此谢)

为解读银原子实验，学界费尽心机，由于量子理论禁锢，物理学不敢涉及核外电子的规律运动，物理的探索也就没有了来自原子内的信息。历经4年煎熬，有学者恪守物理学不准讨论核外电子运动的规矩，小心翼翼地提出了电子自旋。

认为银原子实验是：不对称的磁铁产生了非均匀磁场，使银原子的电子磁矩暴露出来。因为银有47个电子，其中46个自旋的方向正负相反、抵消了，剩下的一个电子的自旋磁矩效应显示出来 [2]，电子的自旋是1/2，于是有的向上、有的向下，就形成了分开的上下两束。

学者艰难、晦涩地解释了以上实验，但是没有涉及电子的公转、没有犯忌，得到认可。自此以后，“巧妙”的电子自旋，成为了原子内部唯一的信息来源，自旋之说由此发展成为物理学探讨物质的主打理论、成了物理磁学的理论靠山，开始大行其道。

诚以为，物理探索本是揭示自然真实、必须与已有的自然事实全面地相符不悖，可是自旋之说对实验解释掺杂太多的臆想成分：“自旋磁矩、玻色子、费米子 ”等等，强加的理论不是大自然的真谛，牵强附会的自旋解释破绽百出。

1、量子物理的波、粒是不确定的，电子可以是粒子、也可以是波。自旋理论中自旋的是粒子、还是波？试问，波是如何自旋，波自旋如何产生磁场？

2、什么是自旋磁矩效应？电子的自旋如何产生磁场？大自然在奥斯特实验中已经明白无误地告诉我们：电子整体的移动伴生着磁场，磁性来自电子的移动。精明的大自然不会用电子的移动形成磁场、再用转动又建立一个磁场。这两个磁场将如何协调？这个节外生枝的自旋磁矩效应，有没有实验证明？[3]

3、电子公转。飘忽不定、时快时慢的电子云如何在公转的同时、保持自旋的方向稳定朝向原子外某固定方向？有人会拿出陀螺仪来说事，一个小小的电子携带着电场、如何同时具备陀螺功能？关于磁场方向，大自然早就告诉了人类用右手定则，精明的自然绝不可能用几个方法来规范磁场方向。

4、一个银原子的质量是一个电子的47x1836+47=88128倍。银原子中46个自旋方向相反的电子磁力互相抵消，仅凭这一个电子自旋产生的磁力，就能使银原子发生上下移动，实在有点夸张。按比例一算：腰上有颗重2克的扣子在自旋，就把一个176公斤的大胖子吸上了高架铁桥。（352斤！）

5、现代物理学经常拿这个自旋进行计算，这个1/2没有单位，说是电子自转720°才旋转一圈，我这个学机械的脑子跟不上。你探讨物理你就说物理，为什么要把原来大家熟悉的数学、几何的概念、单位都要更改？

6、量子物理的核外电子的运转是飘忽不定时快时慢的，这种状态下电子准确的自旋1/2、3/4还有意义吗？计算的结果可信吗？一个时针，秒针很准、滴答滴答。可是分针、时针时快时慢、时正时反、飘忽不定。你敢用这个钟来上课、赶火车？

以上质疑针针见血、来自正常思维，于是自旋学者提出“电子自旋是内禀的、有非经典性质”等等超常思维。似曾相识：量子力学的波、粒子是非经典、这里的电子自旋又是非经典，现代物理总是滋润在非经典之中，说不清楚就用非经典。可是我们是平常人、平常思维，难以望其项背。

现代物理，先是有物质的波、粒难分、量子纠缠；现在又有内禀的自旋，全是非经典。感觉物理学的发展是新词越来越多、越来越神秘、深不可测。

人们相信：大自然崇尚简约。深奥、复杂的往往不是自然真实。

三、几个有趣的现象

先不急于解读银原子实验，而是继续观看几个有趣的磁性实验。见图二

图二

图中，左手拿的是一个纯铜的圆筒，右手拿的强磁性的圆柱体磁铁。把这个磁铁投入圆筒中，让它自由落体运动。你会发现，磁铁降落缓慢，在圆筒内受到较大的阻尼。

还有是物理玩家安德烈·盖姆（Andre Geim）曾经玩过的几个著名的实验，代表作就是那个著名的“飞翔的青蛙”实验。（安德烈·盖姆的玩实验的视频，我见过几次，没有收藏，哪位大侠有、请提供，甚谢！）

安德烈·盖姆的玩具很简单，就是一个磁力超强的圆筒，然后把青蛙、水、纯铜分别通过强磁性圆筒，这些物质的下降速度都变得缓慢，青蛙甚至能够悬浮在圆筒之中。探究其原因，有文献说：在外加磁场中，青蛙体内的水表现出很强的反磁性，其实就是利用青蛙体内水的反磁性来让青蛙悬浮。

人类文明几千年，这一次才知道水有很强的“反磁性”，又是一个新词。至于这个反磁性是怎么来的，肯定是有几页纸的1/2、3/4等等自旋计算，等您看糊涂了，也就认可了。

四、磁性的来历和物质的构成

要解读水、青蛙等物质在磁场中特异的现象，先必须了解：1、磁性的来历，2、物质的构成。我有博文《磁性是怎么形成的？》[3]，现在摘录、简介磁性。

早在1820年，奥斯特发现了直流电对导线外小磁针的作用。

该实验显示：直流电导通，电珠发光，导线附近的小磁针立即偏转，这个实验告诉我们，电子的运动伴生着磁场，大自然的磁性来自电子的运动。直流电是电子的流动，直观地呈现磁场。

当今物理，面对如此明显的事实还要回避电子的运动、搞出个电子自旋理论，可见现代物理人被洗脑、受束缚之深。放弃眼前实在，在虚幻、臆想的自旋中寻找磁性是缘木求鱼。

实验中，导线内移动的电子运动伴生磁场，那原子的核外电子也在高速运转，电子的核外运转会不会产生磁场？回答是肯定的。

到此，有人会问：100多种元素都有核外电子运转，那么所有的元素就应该都有磁场，（这个推论是正确的！）所有的元素都有的磁场在哪里，你见过吗？问得好！这正是当代磁学研究者的困惑，也是我们必须面对的问题。

所有的物质都应该有磁场，是不是？那么就来看看物质的构成。

我在物质的构成《化学键一个世纪的迷茫（二）》[4]晶体形成的物理原因谈到：质子的引力也吸引相邻原子不稳定的外层电子，形成结构元。原子有几个价电子，就能够构建几个结构元。因此4-7价的每个原子周围都环绕同价数的结构元，由此构建了价和晶体（共价键）结构（图三左）。

价和晶体的价电子的运转确实是伴生着磁性，但是价和电子所处的方位各异，运转伴生的磁场方向紊乱、抵消，所以价和晶体一般不能显示宏观磁性。

价和晶体（4价）金属结构

图三

金属体只有1-3个价电子，只能形成1-2个结构元，（3价金属只有1个结构元，另题讨论）如何构建晶体？单个或双联结构元的连接，是由于结构元的价和电子运转所伴生着N、 S磁场，磁场力将结构元相互吸引，靠电磁力维系构成了金属体的结构，如图三右。

在强力作用下结构元可以移位，移动后电磁力可以重新吸引结合。由此也就构成了金属的塑性和延展性。电磁力能够使不同的金属的结构元相互吸引，于是才能够构成合金，金属材料的存在是所有的物质都有磁场的直接证明。

（物理学至今尚不能解读金属的延展性）

液态物质于是由结构元组成，不过其结构不像价和晶体那样稳固；也不像金属晶体有稳定的电磁力，而是结构元成链、成环，时合、时分，内聚力很小。

（关于液态物质的性质和相变，请看拙博《物质的相变》[5]）

不管物质是固态、液态或气态，结构元都有一个共同的特性——维护自身的结构。当物质受到外界的物理（力、热、光、电、磁）侵扰时，总是调动自身能力抵御。受到力、热，则共用价电子加快速率；遇到光、电、磁则调整用价电子的运转方位以利于与外界侵扰抗衡。

五、解读实验

好了，我们可以回到图二，当把这个强磁铁投入纯铜的圆筒中，强磁力影响到纯铜结构元电的磁力，纯铜结构元的电子调整方位，抵御外磁场的侵扰，这就形成了抵御磁场的阻力，大量阻力的集合，让强磁铁的自由落体的速度缓慢。

再来看看安德烈·盖姆的青蛙。当青蛙通过强磁性圆筒，青蛙的细胞组织-碳氢化合物和液态物质构成的结构元受到外部强磁场的侵扰，于是所有结构元的电子调整方位，抵御磁场侵扰，这就形成了抵御外磁场的阻力，大量阻力的集合，让强青蛙的自由落体的速度缓慢，又因为青蛙自身质量不大，而表面积相对很大，抵御磁场的阻力更大，因此自由落体的速度更加缓慢，近乎于悬浮在圆筒之中。

物质在强磁场中自由落体的速度缓慢，不是因为自旋是几分之几，而是因为物质的结构元受到外部强磁场的侵扰时，所有结构元的价电子易于调整方位，抵御磁场侵扰，这就形成了抵御外磁场的阻力。所以物质的结构元的位置相对灵活、价和电子调整比较容易的液体、生物体、金属在强磁场中自由落体的速度缓慢。

现代医院的核磁共振仪，其实没有核的什么事，也没有共振，主要是强磁场和X光。在强磁场的作用下，身体里的液体和软组织的结构元的价电子调整方位，抵御磁场侵扰，边界清楚。于是在X光的透视下形成不同组织清晰的界面，成为胶片上清晰的图像。

（百年前人们发现了X光，只能清楚的看到骨骼，软组织全部模糊不清）

而价和晶体的结构元位置固定且相互牵制，受到外部强磁场的侵扰，结构元的价电子位置相对稳定、难以调整方位。所以难以形成抵御外磁场的阻力。我们可以借用安德烈·盖姆的强磁性圆筒做实验。让冻硬的冰块和相同质量的水分别自由落体通过磁圆筒，你会发现，冰块下落较快、水下落相对较慢。原因是冰的结构元位置固定且相互牵制。

到此，我们再去看看那个著名的银原子实验。回到图一，注意看左下角，有一个小的高温炉，在这个炉子里，银材料被加热成气体。

这里需要提醒的是：气体的银不是单个的银原子，应该是银分子气体。因为银元素在固态或液态时都是先两两构成结构元，然后构成物体。加热成了气体，这个结构元不会解体仍然是两两结合，以分子状态前行。

（希望科学网有条件的实验室能够证实（或证伪）银分子）

银原子实验中两个原子如同O2、H2，组合成一个气体结构元在磁场中前行，气态结构元受到上部强磁场的侵扰，于是结构元结构元调整方位，抵御外磁场的侵扰，银分子向下移动；当靠近下部，受到下部强磁场的侵扰，于是结构元调整方位，银分子向上移动。所有的银分子在磁场中上下波浪式前行。到了出口，从磁场射出的银分子就依照刚才的向上（向下）运动惯性继续前进，于是就就分裂成为上下对称的两束。

六、结论

以上分析紧扣核外电子的规律运动，踩踏了量子物理的禁区。然而事实清楚，分析过程是理性的、逻辑是严谨的。只用了一个新词-结构元。所有的磁性实验：强磁铁投入纯铜的圆筒中；青蛙、液体投入磁性圆筒、核磁共振都证明了结论一：不管是金属固体，液体、动物体，体内的结构元都是客观存在，并且其牵连较少的价和运转，比较容易随着外磁场调整位置，所以在强磁场中阻力较大（实验中下落较慢）。而共价晶体、化合物晶体的结构元牵连较多、位置相对固定，在外磁场中不能（易）调整位置，实验中表现阻力较小。实验结果与之前的物质构成之说一脉相承。

结论二：磁性实验表明，所有的磁性、磁场磁力都来自电子的移动、磁性与电子自旋无关。实验胜过那些计算。全文没有数学公式，数学计算应该是在检测了电子运转速率与磁场强度关系之后。

自旋理论的提出、壮大，是量子物理禁锢后的必然。近代物理学独尊量子力学，作茧自缚、禁止探讨核外电子规律运动、自旋成为唯一可接受的、来自原子内的说道，是物质研究唯一可以吹的牛，后来的学者添砖加瓦，赋予了自旋太多无奈的承载和变通，牛越吹越大。吹大了，离爆破也就不远。

大家不难看出，物质的构成和物质的物理特性力、热、光、电、磁、本质上都是来自核外电子的规律运动[6]。核外电子的运动是构成物质特性的内在机制。

一百年来，物理学自围藩篱，禁锢对核外电子的探讨。一代一代踌躇满志的学子被强迫洗脑。物理的家道森严、不敢造次，几十年都不敢伸个头到藩篱外看看，甚至也不愿回忆一下中学的奥斯特实验，虽然是小儿科，但是铁板事实。

量子物理的禁锢，背离了自然真实，阻滞科学一百年，即将土崩瓦解。网友说这是中国人对世界科学做出贡献的千载难逢好时机，希望科学人抓住机遇，携手关注核外电子的规律运动，迎接中华科学思想清新的春天。

2021、9、2、整理发表

参考文献

[1]黄秀清，科学之道：让科学不再玄学,让物理不再巫理，科学网

http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=480705&do=blog&id=994607

[2]岳东晓，从青蛙蹬腿到电子自旋，科学网

http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=684007&do=blog&id=994831

[3]晏成和，磁性是怎么形成的，科学网