61自旋违背相对论

“如果认为电子具有自旋，那么，我想，就能很轻松地解释光谱的精细结构，以及反常塞曼效应。”

塞曼效应，是指原子光谱在磁场中一分为三的一种现象，是1896年由荷兰阿姆斯特丹大学的彼得·塞曼在实验中偶然发现的。

塞曼把这个现象报告给了自己的老师洛伦兹，后者用理论很好地对这个现象做出了解释。

于是两人在1902年，共同获得了当年的诺贝尔物理学奖。

但是在塞曼发现这个以他名字命名的效应的一年之后，又有实验物理学家们发现，有时候，谱线并不会一分为三而是变为多条，谱线之间的间隔也不尽相同。

所以后来人们把谱线一分为三的现象叫做正常塞曼效应，而其他情况则被称为反常塞曼效应。

此时正坐在台下C位，被卢瑟福和居里夫人夹在中间的洛伦兹，对陈慕武在话语中提到的反常塞曼效应很感兴趣。

因为他当年的理论只能解释正常的那一半，而对另一半反常效应却无能为力。

这一现象的理论解释，则是已经足足困扰了当今物理学家们二十多年。

因此洛伦兹虽然已经退休，但他的注意力还是被陈慕武所吸引，思维也是跟着他的演讲仔细思考起来。

甚至听到兴起时，他还举手提问道：“陈，你说电子的自转，哦不，自旋，所以才能因此产生磁矩，对吗？”

“是这样的，洛伦兹教授，这也就是为什么，一条光谱会在磁场中分裂为多条。”

“那么这个自旋的具体数值是多少，是二分之一吗？”

“没错，我想电子的自旋角动量，正应该是正负二分之一约化普朗克常数，前面的正负关系，满足右手定则。”

洛伦兹之所以知道这个数值是二分之一，因为早在1921年，来自德国图宾根大学的阿尔弗雷德·朗德教授在研究反常塞曼效应时，认为描述电子状态的磁量子数m不应该取整数，而应该在整数后面加上一个二分之一。

但这个二分之一究竟是什么，就没人能说得清了。

现在陈慕武一提到电子还有自旋，那么自旋同样能产生磁矩，洛伦兹自然就联想到了那个让人纠结的二分之一。

台下的洛伦兹稍微沉吟了一会儿，他开始在心中进行起了一个定性半定量的计算，偶尔还拿起笔来，在纸上写写画画。

半晌之后，洛伦兹才开口说道：“陈，我想你这次可能在这个问题上，犯了一个大的错误。”

“请教授您指教。”

听到自己提出来的自旋被洛伦兹给否定，陈慕武不但不惊讶，反而仍是信心十足。

他甚至都知道，洛伦兹接下去要说些什么。

“你说电子的自旋角动量是普朗克常量，那么也就是10数量级，自旋角动量又是电子质量、速度和半径的乘积，电子质量是10数量级，而电子的半径是10数量级。

“这样算下来，这个电子‘赤道’，既然伱说电子像是地球那样自转，那我就姑且认为它同样有赤道，这个赤道上的线速度，就应该是10=10数量级，这个速度已经是比10数量级

的光速大了几百倍。

“但是，按照爱因斯坦的相对论理论，世界上没有速度可以超过光速，所以按照你给出的数据，我们得到了一个错误的答案。

“这也就说明，事情的真相只可能有两种情况，一是电子并没有自旋，二是即使有自旋，他的数值也不会是你给出来的这个，而是应该比它小上很多才对。”

“但我个人还是倾向于第一种，也就是说电子并不存在自旋这回事。”

洛伦兹一番话说完，场下的观众都跟着点了点头，表现出一副大佬儿说的话很有道理的意思。

金无足赤，人无完人，陈慕武震惊物理学界了这么久，也总该有一次犯错误的时候了吧？

只有卢瑟福稍微皱了皱眉头。

因为一年多的时间相处下来，特别是最近，陈慕武还亲自设计实验，证明了那个他原本以为是异想天开的电子波动理论。

这让卢瑟福在心中已经有些默认，不管陈慕武提出什么理论，基本上都是准确无误的，他就是有这样天才般的敏锐的物理学直觉。

而且，刚刚陈慕武在引出电子具有自旋这一属性的时候，还列举出了自己过去提出来的原子太阳系模型。

听到这段话时，卢瑟福还有些洋洋自得，看来自己这个已经玻尔改进的模型，也并不是一无是处。

但洛伦兹的一番话，就否定了陈慕武的自旋假说，一荣俱荣，一损俱损，他老卢脸上也有些挂不住。

不过，看台上自己这位学生，仍然面不改色心不跳，难道他已经想好了应对洛伦兹这个诘难的答案了吗？

正像卢瑟福想的那样，陈慕武一听见洛伦兹提出来电子自旋有问题，就立刻明白了他说的问题出在哪里，也就给出了问题的解决办法。

事实上，在原时空里，提出自旋理论的塞缪尔·古德斯密特和乔治·乌伦贝克，当时只是荷兰莱顿大学的两名学生。

他们痴迷于泡利不相容原理，然后提出来电子自旋这个概念，向他们的老师保罗·埃伦费斯特提交了一篇篇幅不足一页的论文。

埃伦费斯特一边让他们把论文发表在《自然》周刊这本物理学期刊上，一边又给荷兰国内德高望重的洛伦兹写信介绍了这个新理论。

然后洛伦兹在回信中，就以电子自旋的线速度超越了光速为由，否定了这个新理论。

埃伦费斯特把洛伦兹的回信给两位学生看过之后，两人请求自己的老师，向期刊编辑部写信要求撤回这篇论文。

但可能是埃伦费斯特这时候犯了懒，就劝自己的两个学生，你们还年轻，在期刊上犯个错误，丢个人，也不是什么大问题。

就是因为这个一时犯懒的理由，才能让这篇论文歪打正着地最终问世，电子自旋才在物理学界引起了轩然大波。

没想到，现在换成陈慕武在索尔维会议上提出了电子自旋的概念，洛伦兹仍然是第一个跳出来，以电子速度超光速这个理由，反对电子具有自旋的物理学家。

其实陈慕武有许多种能反驳洛伦兹诘难的办法，比如说自旋其实是粒子的一种本征内禀属性，并不是真的像地球在自传。

或者说不应该把电子看成是一个实心球模型，而是像光子那样看成是一个没有大小的点粒子等等。

但上面这些答案有的回答起来太麻烦，而有的涉及到的知识又太超前。

现在量子力学还没有真正被建立，不管是玻尔也好还是索末菲也好，都是在旧量子论中构建的原子模型，也就是用半经典半量子的方式，来处理微观世界中的问题。

所以陈慕武只能选择以子之矛攻子之盾，既然洛伦兹提到了相对论的事情，那么就依然用相对论来反击就好了。

“洛伦兹教授，既然您提到了相对论，也提到了说如果电子有自旋，那么它的速度就将超越光速。

“只是您忘记考虑了一点，那就是在高速条件下，电子的质量也会发生改变，不能再用静止质量m来计算电子的质量，而是应该用这个质量乘上以您的姓氏命名的洛伦兹因子得到的电子动质量，也就是m=γm才对。

“众所周知，速度越大，那么γ就越趋近于零。这样一来，在高速条件下，电子的质量也会随着速度的增大而增大，此时再去计算电子的速度，就会发现其并没有超过光速，仍然是符合相对论光速不变原理的。”

包括洛伦兹在内的现场物理学家们，听完陈慕武的“辩解”之后，又同样觉得他说的也很有道理。

“那么，除了反常塞曼效应之后，还能不能再设计出一种实验来，用以验证电子确实具有自旋这个属性呢？”

台下又有人提问道。

没有爱因斯坦，也没有玻尔，观众们基本上都是各个实验室的领头人。

虽然陈慕武提出来的电子自旋，或许能够很好地解释光谱的精细结构和反常塞曼效应，但他们总想着再找到一个确切的实验，能完全证明，电子确实有自旋。

“十分抱歉，我只是因为看到卡文迪许实验室的同学斯通纳刚好在做这个实验，才想到了第四个量子数，又因为朗德教授的研究珠玉在前，才想到了这个二分之一，会不会是电子的自旋这个解释。

“至于如何设计新的实验，对电子是否存在自旋进行验证？很抱歉，我目前对这个问题，还没有具体的想法和思路。”

陈慕武说完，又在台上讲了几句结束语，就总算完成了他在本届索尔维会议上的发言。

虽然时间远远超过了大会规定的二十分钟，但现场却没人在意这件事情。

毕竟他提出了第四个量子数，已经是算是原子模型中的一个重大进展。

更何况，陈慕武再次语不惊人死不休——已经没人能数的清，这一年多以来，他到底提出过多少个惊人的理论了。

在众人的掌声中，陈慕武仍然回到了那个属于自己的角落里。

他没有再继续听接下来的人发表的演讲，而会场中的大部分人也都心不在焉，大脑中思考着的。都是刚刚听到电子自旋。

几分钟之后，叼着烟斗的卢瑟福起身离席，看那意思，好像是要去场外抽一袋烟。

路过陈慕武身边时，卢瑟福不经意地敲了敲他的桌角，示意陈慕武跟自己一起到会场外面去。

(本章完)