“电子可分裂”究竟是怎么回事？

司 今（[email protected]）

据中国科技网报道，瑞士保罗·谢尔研究所实验物理学家和德国德累斯顿固体和材料研究所理论物理学家领导的国际研究小组通过实验发现，一个电子分裂成两个独立的准粒子：自旋子（spinon）和轨道子（orbiton）。这一结果发表在近日的《自然》杂志上。

以往人们认为电子是一种基本粒子，无法分裂为更小部分。上世纪80年代，物理学家预言，电子以原子的一维链形式存在，可以分裂成3个准粒子：空穴子携带电子电荷，自旋子携带旋转属性（一种与磁性有关的内在量子性质），轨道子携带轨道位。1996年，物理学家将电子空穴和自旋子分开，自旋和轨道这两种性质伴随着每一个电子。

然而，新实验观察到这两种性质分开了——电子衰变为两个不同部分，各自携带电子的部分属性：一个是自旋子，具有电子的旋转属性；另一个是轨道子，具有电子绕核运动的属性，但这些新粒子都无法离开它们的物质材料。

研究人员用瑞士光源（Swiss Light Source）的X射线对一种叫做Sr2CuO3的锶铜氧化物进行照射，让其中铜原子的电子跃迁到高能轨道，相应电子绕核运动的速度也就越高。他们发现，电子被X射线激发后分裂为两部分：一个是轨道子，产生轨道能量；另一个是自旋子，携带电子的自旋性及其他性质。Sr2CuO3有着特殊性质，材料中的粒子会被限制只能以一个方向运动，向前或向后。通过比较X射线照射材料前后的能量与动量的变换，可以追踪分析新生粒子的性质。

实验小组领导托斯登·施密特说：“这些实验不仅需要很强的X射线，把能量收缩在极狭窄范围，才能对铜原子的电子产生影响，还要有极高精度的X射线探测仪。”

“这是首次观察到电子分成了独立的自旋子和轨道子。现在我们知道了怎样找到它们。下一步是同时产生出空穴子、自旋子和轨道子来。”理论小组领导杰罗恩·范德·布林克说，“在材料中，这些准粒子能以不同的速度、完全不同的方向运动。这是因为它们被限制在材料中时，性质就像波。当被激发时，波分裂为多个，每个携带电子的不同特征，但它们不能在材料以外独立存在。”

观察到电子分裂将对一些前沿领域产生重要影响，如高温超导和量子计算机。Sr2CuO3中的电子和铜基超导材料中的电子有着相似的性质，该研究为高温超导研究提供了一条新途径。此外，研究轨道子有助于开发量子计算机。“同时用自旋子和轨道子来编码和操控信息，这可能是未来发展的方向。”英国牛津大学物理学家安德鲁·波斯罗伊德说，“量子计算机的一个主要障碍是量子效应会在完成计算之前被破坏。而轨道子的跃迁速度只要几飞秒（1飞秒=10的负15次方秒），这样的速度为制造现实量子计算机带来了更多机会。”（常丽君）

《科技日报》（2012-4-20 二版）

从上述实验观察可以看出：

1、电子衰变为两个不同部分，各自携带电子的部分属性：一个是自旋子，具有电子的旋转属性（一种与磁性有关的内在量子性质）；另一个是轨道子，具有电子绕核运动的属性，但这些新粒子都无法离开它们的物质材料。

2、铜原子的电子跃迁到高能轨道，相应电子绕核运动的速度也就越高”。

康普顿散射实验

对此实验结果，我们的分析是：此实验类似于宏观自旋刚体的弹性碰撞，与康普顿散射原理基本相同，但物理学对康普顿散射的解释没有考虑电子、x光子的自旋性，我的解释融了了它们这种属性。

在微观世界中，电子和x射线中的x光子都可以被看作为刚体，碰撞粒子（x光子）会将部分或全部平动动能传递给被撞粒子（电子），宏观“刚体平面平行运动”的总动能是E= mv²/2+ Iω²/2，微观刚体粒子的总动能也应是E= mv²/2+ Iω²/2，因此说：“自旋和轨道这两种性质伴随着每一个电子”。依据司今在《关于地球椭圆轨道和自旋变化成因的探讨》一文中得出的结论：“作刚体平面平行运动的自由质点或粒子，当它受外力或外引力场影响时，它的总动能始终保持不变，但平动动能和自旋动能可以在总动能守恒下相互转化”的结论，可以得出：从瑞士光源发出的X射线中的x光子，其平动速度为v,自旋角速度为ω，总动能就是E= mv²/2+ Iω²/2，当它进入Sr2CuO3的锶铜氧化物中，并靠近其中铜原子区域、与铜原子核外电子“相撞”时，就同“银河中心体—太阳—地球”三个自旋场体相互影响的运动形式一样，实质是电子的自旋磁场与x光子的自旋磁场在铜原子核的大磁场下相互影响的运动变化表现的结果。

x光子：在总动能不变下，当x光子与电子“碰撞”时，其平动速度会减小，表现出平动速度减慢甚至不动的现象，这就是说x光子的“轨道性”减弱或消失；但其自旋速度会增大，而“自旋是一种与磁性有关的内在量子性质”，据司今在《物质的自旋与力的形成》一文中指出：“任何物质自旋都会产生磁荷，磁荷量的大小与它的自旋角速度成正比”。因此，x光子在与电子“碰撞”后，因平动速度减小、自旋速度就会相应增大，它就会表现出比原来较大的自旋磁荷量，并在其周围形成较强的自旋磁场，从而自旋速度增强而占主导地位、平动速度减弱而占次要地位，这就是该文中所突出的“自旋子”性。如果没有考虑x光子在“碰撞”后仍保持一个独立的粒子存在，那么就只能象该文中所描述的那样：电子被分裂成二个独立的部分，这就是其中的“自旋子”部分。

“被撞”电子：在总动能不变下，因x光子对电子的“撞击”，电子的平动速度会增大，故自旋速度就会相应减小，它从而表现出比原来较小的自旋磁荷量，并在其周围产生较小的自旋磁场；这时，铜原子核对它的磁力效应减小，故它会产生远离核的运动，即表现出“跃迁”现象，这就是该文所说的“电子绕核运动的速度也就越高”的现象，这就是平动速度增大的“轨道子”特性”。

从上分析可见：

1、该文所指的“自旋子”和“轨道子”分别是由自旋的x光子和自旋的电子“碰撞”后脱变而来的，不是由一个电子分裂出来的。“自旋子”特性就是x 光子“碰撞”后所表现出来的平动速度减小、自旋速度增大的特征。“轨道子”特性就是电子被“碰撞”后所表现出来的自旋速度减小、平动速度增大的特征。

2、量子力学和该文中所认为的“电子衰变为两个不同部分，各自携带电子的部分属性：一个是自旋子，具有电子的旋转属性；另一个是轨道子，具有电子绕核运动的属性，但这些新粒子都无法离开它们的物质材料”是有偏差的。他们承认：“碰撞”前有x光子存在，但“碰撞”后就忽略了x光子的存在，这是不符合“物质量”守恒原理的，同时也违反了能量守恒原理。由此可见，量子力学不是一门描述微观世界的完备的理论，它的很多“随意假设”有时是违反物理学基本原理的，这正是它让我们“迷惑了一个世纪”的根本原因所在！