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微观粒子自旋的本质和贝尔不等式得不到实验支持的原因
微观粒子自旋的本质和贝尔不等式
得不到实验支持的原因
梅 晓 春 俞 平
(福州原创物理研究所)
内容摘要:《量子力学普适动量算符的定义》现有量子力学动量算符不能微观粒子真实,动量算符与动能算符不是一一对应的。考虑到量子力学动量算符与真实的动量存在差距,引入附加动量微观粒子自旋量子力学中引入自旋算符是为了弥补角动量算符的缺陷,或者说自旋与量子力学角动量算符不能描述的那部分角动量有关由此就能解释自旋轨道回旋磁比率是轨道角动量回旋磁比率两倍事实基态电子稳定,落入原子核贝尔不等式得不到实验支持的原因现有量子力学对自旋投影的概念理解有误,不成立,导致贝尔不等式不成立。贝尔不等式得不到实验支持与隐变量是否存在无关,与定域性
1. 附加动量和附加角动量
在《量子力学普适动量算符的定义》文中已经,量子力学动量算符不能很好代表微观粒子真实,动量算符与动能算符不是一一对应的。量子力学用动量算符平方构造运动方程,用构造角动量,就导致动能和与角动量也不是一一对应的。事实上按照目前的量子力学,氢原子中基态电子在原子核中心力场运动时角动量为零。但这样的运动是不可能的,基态电子绕核运动应当存在角动量,考虑量子力学动量算符与真实的动量存在差距,引入附加动量的概念就可以阐明微观粒子自旋的本质。令代表微观粒子普适动量算符,普适动量算符的值,。在《量子力学普适动量算符的定义》文中证明,普适动量算符实际上也不能代表微观粒子的真实动量。令代表微观粒子的真实动量算符,代表微观粒子真实的动量值,。令代表附加动量算符,是附加动量的值,三者的关系如图1所示,我们有:
(1)
引入附加动量算符后,微观粒子真实的角动量算符就应定义为:
(2)
其中是考虑到附加角动量后新的总角动量,是现有量子力学中通常定义的角动量算符,是附加角动量算符,它们之间的关系如图所示。
a b
图1. 附加动量、附加角动量和磁矩的关系
微观粒子的附加角动量算符与自旋算符有关,以下讨论它们之间的关系。我们将证明量子力学中引入自旋算符是为了弥补角动量算符的缺陷,或者说自旋与现有量子力学角动量算符不能描述的那部分角动量有关,由此就能弄清微观粒子自旋的本质。
2.自旋的本质
在原子光谱实验中,为了解释光谱的精细结构,必须假设电子存在一个称为自旋的物理量。电子自旋在空间任何方向上的投影只能取两个值,即。自旋好像是角动量,又不完全像角动量。有时将自旋理解为粒子绕自身的对称轴自转,但却会导致电子表明自转速度是光速137倍的荒谬结果。从经典力学的角度,微观粒子的自旋概念是难以理解的,它没有经典的对应物理量。虽然量子力学诞生至今已经得到很好的发展和应用,微观粒子自旋的本质仍然是个谜。
量子力学中自旋事实上被当成角动量,而角动量是一种矢量。因此自旋矢量向任何方向的投影只能取正负就是无法理解的事情,一个模为1的矢量向空间某方向投影的结果是,可以取之间的任何值。由于自旋一般与总磁场耦合成相互作用哈密顿量,正确的理解应当是,如果我们选择磁场的方向为轴,自旋在磁场方向的投影就为。在其他方向的投影就与有关。下文讨论贝尔不等式时我们将看到,正是由于假设自旋在空间任意方向的投影只能取的前提,导致贝尔不等式不可能是正确的。按照量子力学,原子在磁场中由自旋引起的磁矩为:
(3)
由角动量引起的磁矩为:
(4)
原子物理学中将原子磁矩与角动量的比值称为回转磁比率。按照(4)式。如果将也视为角动量,按照(3)式则有。也就是说自旋的轨道回旋磁比率是轨道角动量回旋磁比率的两倍,因此自旋被认为不是一般的角动量。设带电粒子在磁场中的总磁矩是,如图所示,它绕着总角动量进动。因此被认为不是一个可直接测量的物理量,物理上可测量的是在方向的分量,我们有:
(5)
式中是朗德因子。令是考虑到附加角动量后新的总角动量,假设和的关系为:
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