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进动----从手上的陀螺到电子自旋再到宇宙天体

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一、陀螺进动

根据图一建立理想运动模型如下
并选定边缘一质点观察

该质点在随圆盘自转一周的过程中,其速率在变化,分离出垂直盘面方向的速度
就是v(t)=RΩsinωt
Ω……进动角速度
ω……自转角速度
R……圆盘半径
这类似简谐运动的速度变化,必然具有相应的加速度,而且必然应该是余弦形式
开始求解
选择质点位于顶点时为起始时刻
现在开始分析质点的加速度以及受到的作用力
经时间t ,质点运行到下图位置

建立质点的运动方程如下
x(t)=Rsin(ωt)cos(Ωt)
y(t)=Rsin(ωt)sin(Ωt)
z(t)=Rcos(ωt)
(过程繁琐........略)
两次求导得到质点加速度
a²=[-R(Ω²+ω²)sin(ωt)cos(Ωt)-2RΩωcos(ωt)sin(Ωt)]²+[-R(Ω²+ω²)sin(ωt)sin(Ωt)+2RΩωcos(ωt)cos(Ωt)]²+[-Rω²cos(ωt)]²
整理得
a²=[2RΩωcos(ωt)]²+[RΩ²sin(ωt)]²+[Rω²]²+2[RΩωsin(ωt)]²
第三部分(上图中的3)-------2RΩωcos(ωt),方向与前两项垂直【a(t)=2ΩωRcosωt】
这就是与v(t)=RΩsinωt相对应的加速度
根据【外力是改变物体运动状态的原因】可知,质点不会自己出现加速度
那么,这个a(t)=2ΩωRcosωt从哪里来?
再看图

圆盘受到两个外力F作用,将会出现角加速度α=M/I
I……圆盘对3-9轴的转动惯量
M……两个F形成的力偶
而圆盘边缘质点,将会出现垂直盘面方向的线加速度
a(θ)=αr=αRcosθ

考虑圆盘在自转,θ=ωt,那么,质点在随圆盘自转一周的过程中,垂直盘面方向的加速度是变化的
a(t)=αRcosωt

这正是质点们变速运动的加速度2ΩωRcosωt
a(t)=αRcosωt=2ΩωRcosωt→v(t)=RΩsinωt
他来自外力F形成的力偶M,迫使所有质点加速减速,形成圆盘的进动(=不倒)
外力F,不但没能使圆盘绕3-9轴旋转(倒下),反而使得圆盘出现了绕12-6轴的旋转(进动)
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副产品
αRcosωt=2ΩωRcosωt
整理得:
Ω=M/2Iω-----------1️⃣
圆盘极轴惯量=2赤道惯量,进动角速度Ω=M/Jω
(经典力学规则进动角速度公式)
二、拉莫尔进动
1897年,约瑟夫·拉莫尔爵士推论微观粒子的磁矩在外部磁场的作用下会进动


轨道运动电子在外加磁场(向下)的作用下,轨道进动示意图


洛伦兹力F=ev×B
变换一下形式
f(t)=eωRBcosωt
方向时刻与轨道平面垂
根据电子的运动,还可以从另一个角度计算他的受力
假定电子绕核旋转的角速度为ω,轨道进动角速度为Ω
那么,他在图中F方向的受力为f(t)=2mΩωRcosωt
这称为“科里奥利加速度(力)”,与那个洛伦兹力是同一个力
据此,可以推算进动角速度Ω
2mΩωRcosωt=eωRBcosωt
Ω=(e/2m)B
=================================
以上,根据轨道运动电子在磁场中受到的洛伦兹力,简单推出了拉莫尔进动角速度
明明白白实实在在
避免了教材中的假想的电流环、磁矩、没有力的力矩M=u×B等无中生有的概念
三、托马斯进动

(完整原文不让贴.......这都难说能否通过)
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......
但进一步的研究也表明,由於反常旋磁因数为2,因此双重线分裂的计算结果总是比实验值大一倍。尽管如此,他仍认为电子自旋是一个令人著迷的想法。
......
......
1926年4月,《自然》第117卷发表了美国物理学家托马斯(L.H.Thomas)的一篇文章,成功地用相对论处理了因数2问题。文章指出:在把核静止而电子运动的坐标系转换为电子静止而核运动的坐标系时,应考虑电子加速而产生的磁场,故自旋轴的进动角速度应作相应的修正,因而其进动率应当是原来计算的一半。托马斯在把此文章寄出之前先让玻尔过目。玻尔分别致信海森伯和泡利,通告这一进展。海森伯很快承认了托马斯的理论,泡利则坚持认为托马斯的计算是错误的。经过和玻尔几个星期的争论,并澄清了一些技术性问题后,泡利终於表示:"现在我毫无别法,只能无条件投降了!"
================================
简单说,就是乌伦贝克和古兹米特在解决类氢原子光谱精细结构时,提出了电子自旋的假设,然而计算电子自旋轴进动的结果,总是比实验值大一倍。
这个问题在1926年由托马斯教授用相对论化解,从而为量子力学的发展扫清了道路
量子力学已经远离了经典力学,但是在计算电子自旋轴进动的过程中,还是要使用经典力学的Ω=M/L
也就是Ω=M/Jω,尽管磁矩已经作为基本量,不再关心角动量的构成
但是,脱离转动惯量和角速度只谈角动量,毕竟不是那么和谐,就像没有质量和速度只说动量一样
闲言不叙书归正传
如果乌伦贝克和古兹米特在计算时使用本文的1️⃣式,就不会出现【计算结果总是比实验值大一倍】这个困惑众多顶级科学家的问题
1️⃣式Ω=M/2Iω,假定电子为球形,那么该式为Ω=M/2Iω=M/2L,这样他们的计算结果就会与实验数据吻合
究其原因就是人们笃信角动量定理与动量定理一样坚不可摧,从未有人怀疑Ω=M/L
实际上,这个事件或许已经证明,Ω=M/L不一定靠谱
四、宇宙天体的进动
包括轨道进动(拱点进动)与自转轴进动(岁差)
待续........


IP属地:北京1楼2023-09-12 05:14回复

    老朋友@上帝之友sdzy 已经发表意见,尽管只是感觉,或者说是直觉,也值得一赞
    直觉是做学问尤其是力学不可缺少的基本要素
    另外好像记得你有个新实验,时间不短了,不知进展如何


    IP属地:北京3楼2023-09-12 18:14
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      1.一个系统中,角动量跟所有质点动量的绝对值之和不成正比关系,跟系统动能也不成正比关系。比如一个物体的质量、速率、转动半径都是1,另一个物体的质量是1,速率是2,转动半径是0.5,两个物体的角动量相等,动量、动能都不相等,而且不成正比例关系。两个不同动量的物体发生完全非弹性碰撞,动量大的物体在碰撞前后的运动方向是不变的,但这种逻辑不适应角动量,不能够利用角动量的大小来预测物理现象。
      2.我发现涉及角动量守恒的一个经典公式是错误的。


      IP属地:湖南4楼2023-09-15 10:19
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        看看周宪大师@璐村惂鐢ㄦ埛_0K24eKZ馃惥 在不在
        这位周大师年纪不小了,晚年用了大量时间来研究托马斯进动,以期证明托马斯错了
        也就是要贯彻反相对论的初衷,证明相对论没啥用
        不过证明过程经常犯低级错误
        这里给老先生提供个思路
        托马斯之前,乌伦贝克用Ω=M/L计算电子的进动角速度,结果比实验数据大了一倍
        顶级科学家们很困惑,包括波尔、海森伯和泡利,甚至爱因斯坦
        托马斯用相对论化解了这个矛盾,令反相者如坐针毡一筹莫展。包括这位周大师
        现已确认,在假定电子为球形的前提下,用更基本的牛顿力学推出的进动角速度公式为Ω=M/2L
        也就是说,乌伦贝克算错了,他应该用Ω=M/2L计算,结果就会与实验完全吻合
        从而证明托马斯的相对论修正至少是无效的,因为根本无需修正
        进一步说,如果坚持修正,将会出现错误结果,也就是会比实验值小一半
        即:相对论会计算出错误结果
        老周认为如何?


        IP属地:北京5楼2023-09-15 18:08
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          @Fugue🍀


          IP属地:北京6楼2023-09-15 19:12
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            @中国瑟尔机


            IP属地:北京7楼2023-09-15 19:18
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              重启双盘陀螺实验

              根据M/L,双盘是否分开,在相同条件下,进动速率应相差无几
              根据M/2Iω,双盘分开应明显变慢
              这个实验我已经做过两次,第一次用光盘,第二次找人加工金属转子
              均无结果,既不能肯定Ω=M/L,也不能否定
              也就是说,不能肯定是否有明显差异,或者说结果不确定,有时快有时慢,不足采信
              原因在于手工组装过于粗糙,不能保证自转平稳,振动强烈
              采用悬吊方式,晃动明显。框架也过于简陋
              这次准备多下点功夫
              说说容易,做起来实在是难
              预测结果
              1、证伪Ω=M/L,不用说意义重大,怎么吹都不为过。
              2、证实Ω=M/L,就需要指出M/2Iω推导的错误之处。这个推导严格隶属于经典力学
              换句话说,经典力学到不了高速微观就已经不再适用
              因此,无论成败都有意义


              IP属地:北京8楼2023-09-15 20:49
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                还要提供点证据

                国内学者明确指出,在计算中使用的是动量矩定理,也就是角动量定理dL/dt=M
                进动角速度Ω=M/L,是这个定理直接推论。无论形式如何变化,本质不会变
                如果专家们根据角动量定理弄出了非M/L的其他结果,本身就是笑话
                或者直接否定经典力学


                IP属地:北京9楼2023-09-15 21:11
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                  国内学者论文
                  拉莫尔进动就比较熟悉了,在反相吧和这里说了好几年

                  拉莫尔进动角速度公式就是
                  Ω=M/L-------------------------经典力学进动角速度公式
                  力矩/角动量
                  【实锤】乌伦贝克在用M/L计算电子自旋轴的进动角速度
                  结果算错了,他应该用M/2L
                  就不会有后来这些事情


                  IP属地:北京10楼2023-09-15 23:05
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                    还要做出说明
                    既然电子自旋进动算多了一倍,那么以往同样的方式计算过氢原子的进动,与光谱吻合,没有错
                    咋回事?
                    那是因为原子的拉莫尔进动,主要是电子轨道角动量的贡献,也就是电子做圆轨道运动,洛伦兹力直接与科里奥利加速度对应,或者说可以用M/L
                    而电子就不行了,在不知其形状的前提下,只能假定为球形,此时不能使用M/L
                    一切都在初步猜想中,这不是个简单问题,一切皆有可能
                    在双盘陀螺实验完成之前,不能下定论
                    个人目前倾向于,主流的光谱实验,证伪了Ω=M/L
                    同时证实了牛顿质点力学的推论Ω=M/2L
                    当然也仅是倾向而已,孤证不立,还要有其他实验支持
                    最佳实验,就是双盘实验


                    IP属地:北京11楼2023-09-15 23:49
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                      简述一下
                      前置知识过多,看懂此贴,需要有一些力学功底
                      1、教材根据角动量定理dL/dt=M以及赖柴尔定理,推导出陀螺进动角速度Ω=M/L,即:力矩/角动量
                      M------外力矩
                      L-------(自转)角动量,L=Jω
                      J-------转子极轴惯量
                      ω-------转子自转角速度
                      这是在进动角速度 远小于 自转角速度的前提下,经过简化得出的公式,是近似的
                      赤道惯量的变化对进动影响不大,故忽略
                      2、用牛顿质点力学分析陀螺进动,推导出的进动角速度公式Ω=M/2Iω
                      I--------转子赤道惯量
                      ω-------转子自转角速度
                      与转子赤道惯量强相关
                      对薄圆盘,由于圆盘的赤道惯量=极轴惯量/2,两式结果一致
                      而对球体,用教材公式计算,将会是质点力学的2倍
                      这令我困扰多年,几次尝试用实验事实来验证,均无结果
                      (做实验,可不是说说那么简单)
                      然后说拉莫尔进动
                      待续。。。。


                      IP属地:北京12楼2023-09-17 09:57
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                        备用


                        IP属地:北京13楼2023-09-17 10:00
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                          简单说,就是此图
                          在自转及力矩相同的前提下,且自转角速度 远大于 进动角速度
                          根据角动量定理,两者进动角速度应相差无几
                          根据牛顿质点力学,两者进动应该差异明显
                          这就是8楼说的【双盘实验】
                          结果如何,只有天知道
                          我两次粗略的实验,均不能确认明显差异,也不能确认两者相同,也就是有时快有时慢
                          手工组装手工制作,不能同心各种振动,实在是难
                          继续筹备第三次实验,难也要做


                          IP属地:北京14楼2023-09-17 22:00
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