61自旋違背相對論

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“如果認為電子具有自旋，那麼，我想，就能很輕鬆地解釋光譜的精細結構，以及反常塞曼效應。”

塞曼效應，是指原子光譜在磁場中一分為三的一種現象，是1896年由荷蘭阿姆斯特丹大學的彼得·塞曼在實驗中偶然發現的。

塞曼把這個現象報告給了自己的老師洛倫茲，後者用理論很好地對這個現象做出瞭解釋。

於是兩人在1902年，共同獲得了當年的諾貝爾物理學獎。

但是在塞曼發現這個以他名字命名的效應的一年之後，又有實驗物理學家們發現，有時候，譜線並不會一分為三而是變為多條，譜線之間的間隔也不盡相同。

所以後來人們把譜線一分為三的現象叫做正常塞曼效應，而其他情況則被稱為反常塞曼效應。

此時正坐在臺下C位，被盧瑟福和居里夫人夾在中間的洛倫茲，對陳慕武在話語中提到的反常塞曼效應很感興趣。

因為他當年的理論只能解釋正常的那一半，而對另一半反常效應卻無能為力。

這一現象的理論解釋，則是已經足足困擾了當今物理學家們二十多年。

因此洛倫茲雖然已經退休，但他的注意力還是被陳慕武所吸引，思維也是跟著他的演講仔細思考起來。

甚至聽到興起時，他還舉手提問道：“陳，你說電子的自轉，哦不，自旋，所以才能因此產生磁矩，對嗎？”

“是這樣的，洛倫茲教授，這也就是為什麼，一條光譜會在磁場中分裂為多條。”

“那麼這個自旋的具體數值是多少，是二分之一嗎？”

“沒錯，我想電子的自旋角動量，正應該是正負二分之一約化普朗克常數，前面的正負關係，滿足右手定則。”

洛倫茲之所以知道這個數值是二分之一，因為早在1921年，來自德國圖賓根大學的阿爾弗雷德·朗德教授在研究反常塞曼效應時，認為描述電子狀態的磁量子數m不應該取整數，而應該在整數後面加上一個二分之一。

但這個二分之一究竟是什麼，就沒人能說得清了。

現在陳慕武一提到電子還有自旋，那麼自旋同樣能產生磁矩，洛倫茲自然就聯想到了那個讓人糾結的二分之一。

臺下的洛倫茲稍微沉吟了一會兒，他開始在心中進行起了一個定性半定量的計算，偶爾還拿起筆來，在紙上寫寫畫畫。

半晌之後，洛倫茲才開口說道：“陳，我想你這次可能在這個問題上，犯了一個大的錯誤。”

“請教授您指教。”

聽到自己提出來的自旋被洛倫茲給否定，陳慕武不但不驚訝，反而仍是信心十足。

他甚至都知道，洛倫茲接下去要說些什麼。

“你說電子的自旋角動量是普朗克常量，那麼也就是10數量級，自旋角動量又是電子質量、速度和半徑的乘積，電子質量是10數量級，而電子的半徑是10數量級。

“這樣算下來，這個電子‘赤道’，既然伱說電子像是地球那樣自轉，那我就姑且認為它同樣有赤道，這個赤道上的線速度，就應該是10=10數量級，這個速度已經是比10數量級的光速大了幾百倍。

“但是，按照愛因斯坦的相對論理論，世界上沒有速度可以超過光速，所以按照你給出的資料，我們得到了一個錯誤的答案。

“這也就說明，事情的真相只可能有兩種情況，一是電子並沒有自旋，二是即使有自旋，他的數值也不會是你給出來的這個，而是應該比它小上很多才對。”

“但我個人還是傾向於第一種，也就是說電子並不存在自旋這回事。”

洛倫茲一番話說完，場下的觀眾都跟著點了點頭，表現出一副大佬兒說的話很有道理的意思。

金無足赤，人無完人，陳慕武震驚物理學界了這麼久，也總該有一次犯錯誤的時候了吧？

只有盧瑟福稍微皺了皺眉頭。

因為一年多的時間相處下來，特別是最近，陳慕武還親自設計實驗，證明了那個他原本以為是異想天開的電子波動理論。

這讓盧瑟福在心中已經有些預設，不管陳慕武提出什麼理論，基本上都是準確無誤的，他就是有這樣天才般的敏銳的物理學直覺。

而且，剛剛陳慕武在引出電子具有自旋這一屬性的時候，還列舉出了自己過去提出來的原子太陽系模型。

聽到這段話時，盧瑟福還有些洋洋自得，看來自己這個已經玻爾改進的模型，也並不是一無是處。

但洛倫茲的一番話，就否定了陳慕武的自旋假說，一榮俱榮，一損俱損，他老盧臉上也有些掛不住。

不過，看臺上自己這位學生，仍然面不改色心不跳，難道他已經想好了應對洛倫茲這個詰難的答案了嗎？

正像盧瑟福想的那樣，陳慕武一聽見洛倫茲提出來電子自旋有問題，就立刻明白了他說的問題出在哪裡，也就給出了問題的解決辦法。

事實上，在原時空裡，提出自旋理論的塞繆爾·古德斯密特和喬治·烏倫貝克，當時只是荷蘭萊頓大學的兩名學生。

他們痴迷於泡利不相容原理，然後提出來電子自旋這個概念，向他們的老師保羅·埃倫費斯特提交了一篇篇幅不足一頁的論文。

埃倫費斯特一邊讓他們把論文發表在《自然》週刊這本物理學期刊上，一邊又給荷蘭國內德高望重的洛倫茲寫信介紹了這個新理論。

然後洛倫茲在回信中，就以電子自旋的線速度超越了光速為由，否定了這個新理論。

埃倫費斯特把洛倫茲的回信給兩位學生看過之後，兩人請求自己的老師，向期刊編輯部寫信要求撤回這篇論文。

但可能是埃倫費斯特這時候犯了懶，就勸自己的兩個學生，你們還年輕，在期刊上犯個錯誤，丟個人，也不是什麼大問題。

就是因為這個一時犯懶的理由，才能讓這篇論文歪打正著地最終問世，電子自旋才在物理學界引起了軒然大波。

沒想到，現在換成陳慕武在索爾維會議上提出了電子自旋的概念，洛倫茲仍然是第一個跳出來，以電子速度超光速這個理由，反對電子具有自旋的物理學家。

其實陳慕武有許多種能反駁洛倫茲詰難的辦法，比如說自旋其實是粒子的一種本徵內稟屬性，並不是真的像地球在自傳。

或者說不應該把電子看成是一個實心球模型，而是像光子那樣看成是一個沒有大小的點粒子等等。

但上面這些答案有的回答起來太麻煩，而有的涉及到的知識又太超前。

現在量子力學還沒有真正被建立，不管是玻爾也好還是索末菲也好，都是在舊量子論中構建的原子模型，也就是用半經典半量子的方式，來處理微觀世界中的問題。

所以陳慕武只能選擇以子之矛攻子之盾，既然洛倫茲提到了相對論的事情，那麼就依然用相對論來反擊就好了。

“洛倫茲教授，既然您提到了相對論，也提到了說如果電子有自旋，那麼它的速度就將超越光速。

“只是您忘記考慮了一點，那就是在高速條件下，電子的質量也會發生改變，不能再用靜止質量m來計算電子的質量，而是應該用這個質量乘上以您的姓氏命名的洛倫茲因子得到的電子動質量，也就是m=γm才對。

“眾所周知，速度越大，那麼γ就越趨近於零。這樣一來，在高速條件下，電子的質量也會隨著速度的增大而增大，此時再去計算電子的速度，就會發現其並沒有超過光速，仍然是符合相對論光速不變原理的。”

包括洛倫茲在內的現場物理學家們，聽完陳慕武的“辯解”之後，又同樣覺得他說的也很有道理。

“那麼，除了反常塞曼效應之後，還能不能再設計出一種實驗來，用以驗證電子確實具有自旋這個屬性呢？”

臺下又有人提問道。

沒有愛因斯坦，也沒有玻爾，觀眾們基本上都是各個實驗室的領頭人。

雖然陳慕武提出來的電子自旋，或許能夠很好地解釋光譜的精細結構和反常塞曼效應，但他們總想著再找到一個確切的實驗，能完全證明，電子確實有自旋。

“十分抱歉，我只是因為看到卡文迪許實驗室的同學斯通納剛好在做這個實驗，才想到了第四個量子數，又因為朗德教授的研究珠玉在前，才想到了這個二分之一，會不會是電子的自旋這個解釋。

“至於如何設計新的實驗，對電子是否存在自旋進行驗證？很抱歉，我目前對這個問題，還沒有具體的想法和思路。”

陳慕武說完，又在臺上講了幾句結束語，就總算完成了他在本屆索爾維會議上的發言。

雖然時間遠遠超過了大會規定的二十分鐘，但現場卻沒人在意這件事情。

畢竟他提出了第四個量子數，已經是算是原子模型中的一個重大進展。

更何況，陳慕武再次語不驚人死不休——已經沒人能數的清，這一年多以來，他到底提出過多少個驚人的理論了。

在眾人的掌聲中，陳慕武仍然回到了那個屬於自己的角落裡。

他沒有再繼續聽接下來的人發表的演講，而會場中的大部分人也都心不在焉，大腦中思考著的。都是剛剛聽到電子自旋。

幾分鐘之後，叼著菸斗的盧瑟福起身離席，看那意思，好像是要去場外抽一袋煙。

路過陳慕武身邊時，盧瑟福不經意地敲了敲他的桌角，示意陳慕武跟自己一起到會場外面去。

(本章完)