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第5章 事情变得更加奇怪……又一次
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我们所知道的一切都是错的
你可能已经注意到,量子力学中的每个理论都很快就被推翻了。
不太懂科学的人可能会对此感到不安,就好像科学家一直处在不确定的状态似的(有人对海森堡双关感兴趣吗?),但这是正常的情况。
科学家总是把一种想法发挥到极致,想看看它在什么时候失效,因为没有什么东西是不容置疑的,也没有什么事实是神圣不可侵犯的。
对于某个观点,相信好过笃信,因为这样你更容易承认自己错了。
尽管薛定谔方程很出色,但它也概莫能外。
在发表它的时候,薛定谔堂而皇之地忽略了电子的电荷,因为电荷恒定,不需要调整。
然而,当电子靠近磁铁的时候,薛定谔方程就会失效。
磁与电荷之间的影响十分强烈。
移动的磁铁可以使附近的导线产生电流,而一圈电流会在其周围形成磁场。
因此,只描述电子而不考虑磁效应的方程是不完整的。
你让我团团转
我们将在第11章探讨电荷与磁的联系,现在简而言之就是,电子就像小条形磁铁一样,它的周围有磁场,一端是北极,另一端是南极。
我喜欢想象电子中间插着小型鱼叉,用来表示磁场的指向。
环形导线中的电流可以产生磁场,所以我们假设单个电子也能以类似的方式产生磁性。
电子必须像陀螺一样不停地旋转才能产生磁极。
遗憾的是,对于合适大小的磁场,在计算所需的电子半径时,我们得到的结果是比整个原子还大。
所以,试图用绕轴旋转来解释电子的磁场显然是错的。
电子有磁性,一定是因为除了电荷之外还具有一些神秘的性质。
但当我们意识到这一点时,所有人都已经在想象电子的旋转了,所以我们就沿用了这个名称,把这种神秘的性质称为“电子自旋”
—尽管这个名称对理解这种性质毫无益处。
它并不像字面意思那样指电子绕轴旋转,它只是我们用来表示电子磁性的一个词。
为了探究这种“自旋”
性质的情况,德国人奥托·施特恩和瓦尔特·格拉赫决定测量粒子的自旋。
他们的方法是向布满磁场的通道发射粒子,通道一端的磁场稍强,对粒子产生了合力(而不是两边抵消)。
当有磁性的粒子被轰向通道并且穿过磁场时,它应该偏转一定的角度,这取决于它当时“自旋”
的程度。
重申一次,“自旋”
并不是字面意义上的粒子旋转,但无论自旋是什么,它应该有很多个不同的值,因此粒子往各个方向偏转。
有趣的是,施特恩和格拉赫发现粒子只往两个方向偏转。
自旋(无论它是什么)大小总是相同的,但它的方向要么与磁场相同,要么与磁场相反。
没有中间值。
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