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光子到底有没有自旋和自旋磁矩存在?

司今(jiewaimuyu@126.com)

光的粒子性

我总是不明白:光子是一种不带电的中性粒子,但它为什么会产生“磁光效应”?

磁对粒子的影响方式不外乎二种方式:1、粒子带有电性,2、粒子带有磁性;

光子既然没有电性,那么,它受磁场影响的“效应”只能来自于它可能有磁性存在。

我们知道,有磁性的粒子必定有自旋性,那么,为什么磁性总与“自旋”伴生?

难道说“粒子自旋可以产生磁场效应”吗?

法拉第磁光效应

磁光克尔 效应

如果真是这样,那么整个微观粒子世界与宏观星体世界就有相通的运动规律可循,即它们都有自旋和自旋磁场存在,它们相互间的影响和“纠缠”均来自于它们自旋所产生的磁场效应,那么,它们的运动规律就都应遵循“磁陀螺运动”规律......

1、光本质的界定

磁光效应是指处于磁化状态的物质与光之间发生相互作用而引起的各种光学现象。包括法拉第效应、克尔磁光效应、塞曼效应和科顿-穆顿效应等。这些效应均起源于物质的磁化,反映了光与物质磁性间的联系。

实验还表明:外加磁场不会对无线电波产生影响,即不会改变无线电磁波的传播速度与方向;但外加磁场可以对光运动产生影响,如:它可以使光子运动减速或改变方向(因有干涉、衍射现象出现);那么,这就说明:光并不是麦克斯韦所说的电磁波,而是带有自旋磁场的粒子流,因为,电磁场运动不可能因外磁场的存在而作变速运动,否则,这个运动的“电磁场”就不是场,而是一种“粒子流”行为。

麦克斯韦“交变电磁场”所产生的电磁波之论并不适合描述光运动,如果麦克斯韦所说的无粒子电磁波包括光,那么,光就不可能有粒子性。

据我的“自旋场理论”推理:光是由光子组成的粒子流,光的波动现象来自于光子的自旋磁场与外界空间磁场相互作用的结果——这样,作为“粒子性”的光能够产生“干涉、衍射”等现象问题就可以迎刃而解了(具体论述可参阅司今《波粒二象性的本质》一文)。

2、如何证明光子有自旋磁矩存在?

我们让光子运动减速或静止有二种办法:

(1)、磁瓶法

光子减速器

(2)、爱因斯坦凝聚体法。

爱因斯坦凝聚体态

磁光现象实验表明:外加磁场可以对光运动产生影响,这说明光的组成粒子本身应有自旋磁矩性存在,就像自旋电子一样,否则,这些现象就不应该受外加磁场影响。

电子自旋磁矩

由此推论,磁瓶法或爱因斯坦凝聚体法可以让光子静止或减速也应是外界磁场对光子自旋磁矩作用的结果,那么,光子自身的磁场是如何产生的呢?

我们知道:在自由状态下,任何粒子运动都是“平动+自旋”的运动,且粒子自旋产生自旋磁矩;如,电子运动不但有自旋,且也有自旋磁矩存在;按目前物理学理论推理,电子运动不但会产生磁场,而且还会在外加磁场中产生“洛伦兹曲线运动”;那么,当外加磁场足够大时,这个电子的洛伦兹运动半径就会趋于足够小,电子在这个足够小的空间里运动,可不可以将它看作是“准静止”态呢?如果可以,则说明电子在静止状态下也有自旋存在,那么,它就应有自旋磁矩存在;也就是说,电子自旋与它的自旋磁矩存在一定的关联性。

同样,对光子而言,用爱因斯坦凝聚体将光子速度降低,甚至处于静态,那么光子也不可能没有自旋,相反,它的自旋还应增大,自旋磁场也会增大;这样,它才会与外磁场作用更强烈,趋于更稳定的“准静止”状态。由此推理,光子自旋磁矩也应与它的自旋性有关。

通过上面推理可得一个结论:光子、电子等粒子自旋与其自旋磁矩存在关联性,如果进一步推测则:粒子自旋可以产生自旋磁场(具体论述可参阅司今《物质自旋与力的形成》一文)。

3、小结

3.1、电子、光子等自旋可以产生自旋磁场;

3.2、认识电子、光子等“波动”行为必须从粒子的自旋、自旋磁矩性这一本质入手,结合物质组成空间的磁场性,才能真正看清粒子运动或光传播中出现的“波粒二象性”现象的物理本质。

【附录】:

1、磁瓶原理与光子减速、储存

可以用两个电流方向相反的线圈产生一个中间弱两端强的磁场,这一磁场区域的两端就形成了两个磁镜,平行于磁场方向的速度分量不太大的带电粒子将被约束在两个磁镜间的磁场内来回运动而不能逃脱。这种能约束带电粒子的磁场分布叫磁瓶。

磁约束

当绕着磁力线旋进的粒子由弱磁场区进入两端的强磁场区域时,就会受到一反向力的作用。这个力迫使粒子的速度减慢,轨道螺距缩短,然后停下来并反射回去,反射回去的粒子达管子中心区域后,又向另一端螺旋前进,达端口后又被反射回来。粒子就像光在两个镜子之间来回反射,所以称之为磁镜;以被禁闭在瓷瓶里而被保存起来。

磁瓶可以使光子减速甚至储存光子,具有强大磁场的所谓“黑洞”就是一个储存光子的“大磁瓶”。

2、爱因斯坦凝聚体与光子减速、储存

玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)是科学巨匠爱因斯坦在80年前预言的一种新物态。这里的“凝聚” 与日常生活中的凝聚不同,它表示原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态(一般是基态)。即处于不同状态的原子“凝聚”到了同一种状态。

爱因斯坦凝聚体

玻爱凝聚态有很多奇特的性质,请看以下几个方面:

玻色-爱因斯坦凝聚态,冷却后的原子由磁场与激光组成的磁-光囚禁阱囚禁,然后在囚禁阱中继续用蒸发冷却的办法达到所需要的温度,即把热的原子蒸发掉。在囚禁阱的边缘部分,磁场很强,控制原子磁极的射频场的频率很高,通过逐渐的降低频率可以把温度高的原子排出阱外,从而达到冷却的目的。道理就象茶在茶杯中变凉一样。

在磁-光囚禁阱中原子是靠偶极磁场力来约束的,如果原子的磁极发生反转,就会使吸引力变为排斥力,因此需要用射频场来控制原子磁极的反转。但是在囚禁阱的中心电磁场为零,这就不能控制原子自旋态(磁极)的变化。为此,埃里克·康奈尔采用旋转磁场装置使原子始终不能达到磁场为零的位置,以达到控制原子自旋态的的目的,从而在1995年的6月实现了37Rb的玻色爱因斯坦冷凝态。

激光是光子的玻爱凝聚,在一束细小的激光里拥挤着非常多的颜色和方向一致的光子流。超导和超流也都是玻爱凝聚的结果。

玻爱凝聚态的凝聚效应可以形成一束沿一定方向传播的宏观电子对波,这种波带电,传播中形成一束宏观电流而无需电压。

原子凝聚体中的原子几乎不动,可以用来设计精确度更高的原子钟,以应用于太空航行和精确定位等。

玻爱凝聚态的原子物质表现出了光子一样的特性正是利用这种特性,前年哈佛大学的两个研究小组用玻色-爱因斯坦凝聚体使光的速度降为零,将光储存了起来。

玻爱凝聚态的研究也可以延伸到其他领域,例如,利用磁场调控原子之间的相互作用,可以在物质第五态中产生类似于超新星爆发的现象,甚至还可以用玻色-爱因斯坦凝聚体来模拟黑洞。

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