從宏觀到微觀談轉動與汽車運輸

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1、從宏觀到微觀談轉動與自旋尚仁成，清華大學物理系，北京，100084丁海兵，中國科學院電子學研究所，北京，100190本文先通俗地介紹我們?nèi)粘Ｉ钪杏龅降霓D動運動及其主要特征。進一步轉向微觀粒子運動，介紹其不同于宏觀物體運動的特點。在此基礎上，再介紹微觀粒子的轉動運動及其自旋。并介紹自旋在若干方面的應用。最后再簡要介紹清華大學研究的我國第一臺極化電子源及其主要性能。1.在高速轉動的世界中生活“不識廬山真面目，只緣身在此山中”。如果你對你的朋友說我們無時不刻不處在一個高速轉動的世界中，你的朋友一定會認為你神經(jīng)系統(tǒng)出了毛病。其實是你的朋友出了毛病。首先說，我們都住在地球

2、上，日復一日，年復一年地跟著地球以每小時1674公里的速度(赤道附近)繞地球自轉軸轉動著。這比最快的汽車速度還要快十倍以上。恰好是詩人說的“坐地日行八萬里”。地球還要繞太陽一年轉一大圈，這一圈是九億多公里，每小時差不多要跑十萬公里，和孫悟空一個跟斗差不多遠?，F(xiàn)代的小學生都知道，每天的日出日落，可以說明地球在自轉。但如果不是偉大的科學家哥白尼的貢獻，這種日出日落，也曾長期被解釋為太陽繞地球轉動。在沒有太陽的陰天和夜間怎么知道我們和地球在一起轉動呢？聰明的人們曾設計了各種物理實驗來觀察和證明地球自轉。例如，在一座精心設計的完全垂直于地面高矗的高塔頂上，選一個風和日麗的

3、天，從塔頂沿塔的東西墻面中線垂直落下一個很重的鉛球。結果發(fā)現(xiàn)，鉛球落地時，總不落在塔基的正中，而是像比薩鐵塔那樣，球落點總要和塔基中心線偏一點（例如，200米高的塔，大概偏移為5厘米）。這是因為塔和地球一起在由西向東自轉，塔尖離過地心的轉軸的距離比地面離轉軸的距離更大，因此塔尖（以及放在塔尖的鉛球）繞轉軸轉動的線速度比地面轉動的線速度大。當鉛球脫手下落時，除了受地心引力（嚴格說這個引力也不是正好指向地心的，我們暫考慮這一點）垂直下落外，還要帶著這一點線速度的差別，總要向東偏一點。這個實驗比較直觀地證明了地球在自轉。另外的試驗，像大學物理都要講的、并在天文館展出的傅

4、科擺，也能很形象地說明地球的自轉。我們在高速轉動的地球上會受到多種力的作用，你可能首先會想到，因為隨地球高速轉動，可能會受到慣性離心力作用。我們在夏天能穩(wěn)坐在樹蔭下的沙發(fā)椅上乘涼，說明圓周運動產(chǎn)生的離心力和地球對我們的吸引力及地面對我們的反作用力互相平衡。因此，我們既沒有離心力將我們向外拋的感覺，也感覺不到地球的向心力將我們向里吸。除此以外，如果我們在高速轉動的世界中運動，還會受到一種特有的力，這種力叫做科利奧里力。在北半球，從西向東運動的物體會受到一個向北偏轉的力，這就使從西向東流的河流北岸會受到更嚴重的沖刷。一水盆裝滿水，若在盆底開一個口，水迅速往外泄漏時,會

5、在水面上產(chǎn)生一個漩渦，而且在南半球和北半球漩渦旋轉方向不一樣，這也是由于科利奧里力的作用。其實，我們前面舉的從塔頂?shù)粝裸U球向東偏移的例子，也可理解為鉛球在塔尖和在地面的轉動角動量（見PDF文件使用"pdfFactoryPro"試用版本創(chuàng)建www.fineprint.cn下文）發(fā)生了變化，只有鉛球受到一個力矩的作用才能發(fā)生這樣的變化，這個力矩正是由西向東的科利奧里力提供的。一個物體作直線運動具有動量，若物體做曲線運動或繞某一點或一個軸作圓周運動,或者說轉動，它就具有動量矩，或者叫角動量。物體繞著自身的軸轉動，我們就稱它具有的角動量為自旋角動量，常常簡稱為自旋。本文中

6、我們將反復地和自旋打交道。物體運動的角動量可以規(guī)定為一個向量（矢量），他的大小由轉動物體的轉動慣量（作直線運動物體有慣性，也可叫做慣量）及轉動速度決定。如果用右手伸開，四個手指微微順著轉動方向彎曲，那么，大姆指所指的方向就是角動量矢量的方向。角動量的大小和方向都不會輕易改變，只有受到一定的外力矩時才會改變。沒有外力矩時角動量是不變的，這就叫角動量守恒。輪船在大海中長期航行時怎么知道它自身的位置和方位呢？怎么對他導航呢？什么參照物都沒有了，“大海航行靠舵手”也不靈了。若是明亮的夜空還可以靠特定的一組星星的方位來確定方向，但看不見星空的天氣或潛入水下的潛艇就毫無辦法了

7、。長期使用的辦法是陀螺導航儀，就是依靠高速旋轉的陀螺在船只航行過程中始終保持角動量方向不變，由它來確定輪船前進的方向。2.離經(jīng)叛道的微觀粒子：著名球星麥克爾.喬丹能夠以很高的成功率將對方擲出籃球阻斷，因為他牛頓力學“學得好”，只要他準確知道籃球此時此刻的位置和速度（及方向），就可以知道下一秒鐘籃球應在什么位置，準時地跳到那個位置就可以抓個正著。將籃球換成足球、壘球或換成更小的乒乓球，它們還是有同樣的運動規(guī)律，都服從牛頓力學。如果我們將球不斷地小下去，會發(fā)生什么變化呢？會不會出現(xiàn)哲學家說的量變到質(zhì)變呢？黑格爾舉過一個著名的例子說，給一頭毛驢背上的袋子內(nèi)添加谷子。一粒

8、一粒的加上