从宏观到微观谈转动与自旋1. 在高速转动的世界中生活PDF 文件使用 ....PDF

宏观到微观谈转动与自旋 尚仁成，清华大学物理系，北京，100084 丁海兵，中国科学院电子学研究所，北京，100190 本文先通俗地介绍我们日常生活中遇到的转动运动及其主要特征。进一步转向微观粒子运动，介绍其 不同于宏观物体运动的特点。在此基础上，再介绍微观粒子的转动运动及其自旋。并介绍自旋在若干方面 的应用。最后再简要介绍清华大学研究的我国第一台极化电子源及其主要性能。 1. 在高速转动的世界中生活 “不识庐山真面目，只缘身在此山中”。如果你对你的朋友说我们无时不刻不处在一个 高速转动的世界中，你的朋友一定会认为你神经系统出了毛病。其实是你的朋友出了毛病。 首先说，我们都住在地球上，日复一日，年复一年地跟着地球以每小时1674 公里的速度(赤 道附近)绕地球自转轴转动着。这比最快的汽车速度还要快十倍以上。恰好是诗人说的“坐 地日行八万里”。地球还要绕太阳一年转一大圈，这一圈是九亿多公里，每小时差不多要跑 十万公里，和孙悟空一个跟斗差不多远。现代的小学生都知道，每天的日出日落，可以说明 地球在自转。但如果不是伟大的科学家哥白尼的贡献，这种日出日落，也曾长期被解释为太 阳绕地球转动。在没有太阳的阴天和夜间怎么知道我们和地球在一起转动呢？聪明的人们曾 设计了各种物理实验来观察和证明地球自转。例如，在一座精心设计的完全垂直于地面高矗 的高塔顶上，选一个风和日丽的天，从塔顶沿塔的东西墙面中线垂直落下一个很重的铅球。 结果发现，铅球落地时，总不落在塔基的正中，而是像比萨铁塔那样，球落点总要和塔基中 心线偏一点 （例如，200 米高的塔，大概偏移为5 厘米）。这是因为塔和地球一起在由西向 东自转，塔尖离过地心的转轴的距离比地面离转轴的距离更大，因此塔尖（以及放在塔尖的 铅球）绕转轴转动的线速度比地面转动的线速度大。当铅球脱手下落时，除了受地心引力（严 格说这个引力也不是正好指向地心的，我们暂考虑这一点）垂直下落外，还要带着这一点线 速度的差别，总要向东偏一点。这个实验比较直观地证明了地球在自转。另外的试验，像大 学物理都要 的、并在天文馆展出的傅科摆，也能很形象地说明地球的自转。 我们在高速转动的地球上会受到多种力的作用，你可能首先会想到，因为随地球高速转 动，可能会受到惯性离心力作用。我们在夏天能稳坐在树荫下的沙发椅上乘凉，说明圆周运 动产生的离心力和地球对我们的吸引力及地面对我们的反作用力互相平衡。因此，我们既没 有离心力将我们向外抛的感觉，也感觉不到地球的向心力将我们向里吸。除此以外，如果我 们在高速转动的世界中运动，还会受到一种特有的力，这种力叫做科利奥里力。在北半球， 从西向东运动的物体会受到一个向北偏转的力，这就使从西向东流的河流北岸会受到更严重 的冲刷。一水盆装满水，若在盆底开一个口，水迅速往外泄漏时,会在水面上产生一个漩涡， 而且在南半球和北半球漩涡旋转方向不一样，这也是由于科利奥里力的作用。其实，我们前 面举的从塔顶掉下铅球向东偏移的例子，也可理解为铅球在塔尖和在地面的转动角动量（见 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 下文）发生了变化， 有铅球受到一个力矩的作用才能发生这样的变化，这个力矩正是由西 向东的科利奥里力提供的。 一个物体作直线运动具有动量，若物体做曲线运动或绕某一点或一个轴作圆周运动,或 者说转动，它就具有动量矩，或者叫角动量。物体绕着自身的轴转动，我们就称它具有的角 动量为自旋角动量，常常简称为自旋。本文中我们将反复地和自