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先說電子自旋
電子自旋是電子的基本性質之一,是由電子內稟角動量引起的內稟運動的簡稱。受泡利不相容原理的啟發,1925年美國物理學家烏倫貝克和古茲密特分析原子光譜的一些實驗結果發現了電子的自旋現象。實際上,不但電子存在自旋,中子、質子、光子等所有微觀粒子都存在自旋。
雖然電子自旋運算規則類似於經典力學的角動量,但從本質上來說這與經典力學中的自轉是完全不同的。電子自旋是量子效應,是電子與生俱來的本質屬性,如果把電子自旋看成如同地球自轉或陀螺旋轉那樣的繞軸運動,就會得出與麥克斯韋方程組相矛盾的結果,因此電子自旋跟地球自轉之間有很深的理論溝壑。
簡單的說,粒子包括電子的自旋只是一個具象化的描述,是將角動量量子化的結果,由於量子的世界十分詭異,用我們日常所見的現象去理解粒子的各種性質是行不通的。
然後說地球自轉。
關於地球自轉的原因,科學界中存在很多爭議。有的認為,由於宇宙中廣泛存在一種叫以太的介質,地球沿以太的運動方向運動,同時地球又受到太陽引力的作用,雙重效應下地球開始自轉;有的認為是地球在圍繞太陽公轉的過程中,為了保持自身運動的平衡性才形成的自轉;有的認為是太陽系形成初期,原初星雲物質在收縮時形成的旋轉角動量轉化成了其形成的行星的角動量,而行星周邊宇宙環境接近於真空,所以諸如地球等行星才一直自轉至今。不過,所有關於地球自轉機制都還處於假說階段,真正的原因無從知曉。
不過終究來說地球自轉是其自身內因與外部環境的相互作用造成的,地球自轉宇宙萬物都處於無始無終的運動中,不存在絕對靜止的物體,但如果粗略地將地球自轉單獨歸結於“絕對運動”的原因顯得太過牽強,地球自轉不是地球的本質屬性,根據目前的測算結果,地球的自轉速度正在改變,但就算如果有一天地球自轉停止,地球仍然是地球,這一點與電子的自旋完全不同,電子的自旋無法被改變,僅其角動量指向可以改變。
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電子的自旋與地球的自轉,有時候大家用來作類比,都是圍繞中心所做規律性的轉動,但它們的性質是不同的。
電子的自旋
電子自旋實際上是微觀粒子的一種性質。電子繞著原子核轉的同時也進行自轉,或順時針或逆時針。電子攜帶負電荷,電荷轉動形成電流,所以電子自旋可以看成是一個小電流圈,而小電流圈可以看成是一個有南北極的小磁鐵。電子自旋是量子效應,不能作經典物理的理解,如果把電子自旋看成繞軸的旋轉,則會得出與相對論矛盾的結果。進一步研究表明,不但電子存在自旋,中子、質子、光子等所有微觀粒子都存在自旋,只不過取值不同。電子自旋具有角動量和自旋磁矩。
地球的自轉
地球自轉的成因,目前看有這麼幾種:第一種是引力源牽引,物質被吸引並圍繞引力旋轉,地球的自轉很有可能是生成初期引力源作用。第二種,宇宙環境非常複雜,在地球形成初期,它受到了很多撞擊,相當於給了地球一個旋轉的力,類似與我們日常看到的旋轉陀螺,加上宇宙阻力相對較小,這種力被保留至今,不過轉速變得越來越慢,就是我們說的自轉。
二者的差異
從我瞭解到的知識來看,二者至少有以下兩個區別。
1、轉動的概念不一樣。經典力學中的自轉,是物體對於其質心的旋轉,比如地球每日的自轉是順著一個透過地心的極軸所作的轉動。而電子自旋是觀測效果上的旋轉(例如磁矩轉動),它表示粒子放射的能量、與外界的作用,按一定的機率、符合一定的週期和方向特徵,因此看起來像是旋轉效果,並且也可以用旋轉來計算。但實際上並非粒子本體在轉動,因為在量子力學中,粒子不是一個跑來跑去的質點,而是一團“機率雲”,這團雲中的每一個點都是它自己,我們無法簡單認為粒子是繞著某個空間點轉動的。
2、電子自旋是內在屬性,而地球自轉並不是內在性質。如果地球不轉了,它還是地球,因為地球和其他天體發生作用時,是靠引力而非電磁力,即使地球不自轉,它和其他天體的相互作用仍然基本不變。但是粒子如果不自旋或者方向改變,它就是一個新粒子,自旋是粒子在某種狀態下能否穩定存在的基礎要素。