磁性真正的起源是什么？

磁性真正的起源是什么？磁性真正的起源是什么？目前，关于磁性起源的正统理论是安培的“分子电流说”，这个理论是“通电螺旋管”会产生磁的抽象描述；对量子力学所证明的自旋粒子有“自旋磁矩”性，这能否也看作为磁性起源理论之一呢？|什么是“分子环流假说”？19世纪，杰出的法国科学家安培提出过这样一个假说：组成磁铁的最小单元就是环形电流。若这样的一些分子环形电流定向的排列起来，在宏观上就会显示出N,S极来，如下图所示，这就是著名的安培分子环流假说。其认为一切磁现象的根源是电流，磁性物质的分子中存在回路电流，被称为分子电流，分子电流相当于一个最小的磁性单元，磁性物质对外显示出磁性，取决于该物质中分子电流对外界的磁效应的总和。“分子电流”真的存在吗？分子环流假说可以用来解释很多宏观的物理现象，但是当今时代，我们清楚地知道，原子是由带正电的原子核和带负电的电子组成，切电子绕原子核高速的旋转。但是电子除了绕原子核旋转以外，还存在自旋。自旋是量子力学中特有的概念，属于粒子的内禀性质，在非相对论性情况下，它与电子在外在空间中的运动无关。大家对这个概念可能比较陌生，举个例子，地球在绕着太阳旋转的公转，也存在着自转。原子，分子等微观粒子内部电子的这些运动形成了安培所谓的“分子环流”，这便是物质磁性的根本来源。通过微观领域来看，无论导线中传导的电流还是磁铁的磁性的产生，它们的本源都是运动的电荷，因此电与磁可以归结为运动着的电荷之间的相互作用，而这种相互作用可以通过磁场来进行传递，也就是说磁场起到了一个桥梁的作用。当电荷运动的方向一致就产生了磁极，从而产生了恒定的磁场。而宏观物质的磁性的并是不某一粒子的单一体现，而是整个磁性物质中所有具有自旋粒子所产生的总磁矩的整体体现，其中包括轨道磁矩和自旋磁矩（但磁矩之间还存在一定的相互作用，不仅仅像我们想的那么简单，如自旋—轨道耦合作用：原子中的电子绕原子核作空间运动时将产生磁场，这个磁场必定与电子固有磁矩发生作用，使原有能极劈裂并产生附加能移，情况比较复杂在此就不加以赘述，具体信息可以通过《量子力学》中的电子自旋章节查阅），宏观物质由原子组成，原子由原子核及核外电子组成，由于电子及组成原子核的质子和中子都具有一定的磁矩，所以宏观物质毫无例外的都具有一定的磁性，宏观物质磁性是构成物质原子磁矩的集体反映。电子磁矩比原子核磁矩大3个数量级，因此宏观物质的磁性主要由电子磁矩所决定，再根据磁矩微观排列的不同从而出现了具铁磁、亚铁磁、顺磁、反铁磁等宏观磁性的磁性材料，所以磁性材料的改良与研发也主要以微观领域的研究作为出发点。安培的“分子电流”假说认为材料内部是有一个个小分子组成，每个分子都有一圈环形电流，电流感应出了一个小的磁矩，如果这些分子的磁矩取向一致的话，就可以形成一个强大的磁矩，整体体现出很强的磁性。这种用“分子电流”秩序构造出整体磁性似乎非常合理，也很容易被人接受，但实际上材料内部不止步于分子层次，而是更基本的原子，而原子的内部，是原子核和核外电子。在这种情形下，“分子电流”是根本不存在的。要想认识磁性的起源，我们必须先了解微观粒子的自旋。自旋是量子力学中特有的概念，它指的是微观粒子与生俱来就带有一个量子化的角动量，属于粒子的内禀属性。就像所有的粒子都具有一定量的电荷一样，所有的粒子都具有自旋的属性，而且自旋数并不一定是整数。自旋为半奇数的粒子称为费米子，自旋为0或整数的粒子称为玻色子。正负电子、质子和中子的自旋都为1/2；而光子的自旋为零，属于玻色子。自旋可以等效地认为是一个具有N极和S极的最小磁单元。自旋的存在，使得微观粒子在运动过程中不仅仅由于其轨道角动量会产生轨道磁矩，而它们的自旋角动量也同时会产生自旋磁矩，粒子的总磁矩是轨道和自旋两部分贡献的整体效应。对于原子核来说，中子和质子的自旋以及轨道角动量将整体贡献出一个核磁矩，原子核磁矩的存在，是核磁共振现象的基础。对于核外电子来说，诸多电子的轨道磁矩和自旋磁矩也将组合在一起体现整体的磁矩。电子的磁矩一般要比核磁矩大得多，因此对于原子整体而言，将主要体现出电子造成的磁矩。而这些带固定磁矩的原子的微观有序排列就将形成材料整体有一个较大的磁矩，即从宏观上来看，材料显现出了磁性。一般来说，原子的核磁矩要远小于电子的整体磁矩，而电子的磁矩又主要是自旋磁矩的贡献，故原子的总磁矩主要来自于不同自旋方向的电子数差异形成的总自旋磁矩。对于固体材料而言，里面的原子或离子是呈周期性排列的，它们的磁矩也会出现一定规律的排列方式。不同磁矩大小和排列方式构成了固体中千变万化的磁性。如果有序排列的原子磁矩大小相同并且方向相同，那么材料整体将体现铁磁性；如果原子磁矩大小相同，但是相邻的磁矩方向相反，那么材料整体将体现反铁磁性；如果相邻原子的磁矩方向相反，但大小不同，那么材料整体就将呈现亚铁性；如果原子磁矩的排列是杂乱无章的，那么材料整体就是顺磁性。对于固体的这几类磁性来说，磁性从强到弱依次是：铁磁、亚铁磁、顺磁、反铁磁。在实际材料中是原子组成的三维点阵，原子磁矩的排列是非常复杂的，可能有各种磁性排列方式的组合，也可能是更加复杂多变的磁性排列。但不管怎么变化，所有的材料都有磁性，只是因为其内部原子磁矩排列方式不同而导致宏观的磁性强弱不同。对于铁磁材料和反铁磁材料，其铁磁性和反铁磁性并不是稳定不变的，一般还和材料的温度有关。对于铁磁材料，在一定温度以上将因原子的热振动过于剧烈而打乱原来一致排列的磁矩，材料会从铁磁体过渡到顺磁体，对应的温度点叫做居里点。对于反铁磁材料也存在一个温度点叫做奈尔温度，在这个温度以上有规则排列反铁磁序将转变为无规则随机排列的顺磁序。铁的居里点在一千摄氏度以上，因此被磁化成铁磁体的钢片能够保持磁性不变，但是一旦将其加热到红热状态就可以发生退磁效应，使其失去磁性。磁性是人们研究较早的物理现象，但要完全理解磁性还需要等到量子力学的建立。磁性是基础物理学的核心话题，比如磁单极子是否存在，海森堡模型，高温超导的磁机制，量子霍尔效应，自旋玻璃等都是基础物理学的重要课题。此外磁性有非常重要的技术应用，从电气时代的发电机/电动机，到信息时代的磁存储，以及未来有可能蓬勃发展的自旋电子学，磁性及磁性材料都发挥着核心作用。磁性分以下几类：抗磁性（Diamagnetism），顺磁性（Paramagnetism），铁磁性（Ferromagnetism），反铁磁性（Antiferromagnetism）和亚铁磁性（Ferrimagnetism）等。抗磁性（Diamagnetism）是一种弱磁性，当我们给物质施加磁场H的时候，物质会产生相反的磁化强度M，所有物质都有抗磁性，只是大多数物质的顺磁性强于抗磁性，体现不出来而已。物质的抗磁性可用电磁感应定律予以解释。顺磁性（Paramagnetism）也是一种弱磁性，磁场和磁化强度的关系是：M=χH，这里χ是磁化率（magneticsusceptibility），χ与温度成反比（居里定律）：χ=C/T，C是物质的居里常数。顺磁性可以解释为物质中本来就有非零的磁矩（比如原子/分子中未配对电子的自旋磁矩），但磁矩与磁矩之间没有相互作用，磁矩的取向是杂乱无章的，整体不体现出磁性，但当我们给物体加上磁场H后，这些磁矩会倾向于平行磁场排列，因为这样磁矩在磁场中能量会降低，这个能量的降低会与无规则热运动的能量kT竞争，体现为磁化率与温度成反比的居里定律。假设物质中的磁矩和磁矩之间具有（有效的）相互作用，这个相互作用可以归结为量子力学的交换积分（一般是通过超交换机制），交换积分J可以大于零，也可以小于零，当J小于零的时候，物质中的小磁矩倾向于平行排列，这就是铁磁性（Ferromagnetism），当J大于零的时候，相邻晶格上的磁矩倾向于反平行排列，这就是反铁磁性（Antiferromagnetism）。J大于零，相邻晶格上的磁矩（自旋）不一样，对应的就是亚铁磁性（Ferrimagnetism）。铁磁性，反铁磁性和亚铁磁性都可以写为海森堡模型（Heisenbergmodel）的形式：我们常见的磁铁是铁磁体，对于铁磁体而言，即便没有外加磁场，因为交换积分小于零，物质中的小磁矩依然倾向于平行排列，因为这会降低体系的能量。铁磁体满足居里-外斯定律（Curie–Weisslaw），当温度T高于居里温度θ时，物质处于顺磁相，当温度低于θ时，物质处于铁磁相。由于静磁能的存在，并且是大于零的，物质中所有小磁矩都平行排列在能量上是不利的，这使得铁磁体中会存在磁畴（MagneticDomain），相同磁畴内，磁矩平行排列，并体现为一个较大的“总磁矩”，但不同磁畴之间磁矩的取向不同，磁畴的存在降低了静磁能，同时磁畴壁又抬高了体系的能量。因此磁畴（可看做是一种拓扑激发）随外场的运动变化成为材料物理与器件物理中重要的研究对象。磁畴的存在可以降低静磁能；我们可以用磁光克尔效应（Magneto-opticKerreffect,MOKE），洛伦兹透射电镜（Lorentztransmissionelectronmicroscopy,LTEM），磁原子力显微镜（Magneticforcemicroscopy,MFM）等技术手段来研究磁畴。对各种磁性材料及电磁场的深入研究，发现物质的磁性来自构成物质的原子。在原子中，由于原子核中质子中子的磁矩要远小于核外电子的磁矩，因此主要考虑核外电子对磁性的贡献。其磁性来自两个方面，可形象地说由于“公转”和“自旋”，分别由磁量子数m和自旋量子数ms确定。那么，它们又如何得到的呢？当薛定谔提出非相对论性量子力学波动方程，只得到磁量子数m，但得不到自旋量子数ms，物理学家只能依据实验观测唯象地添加上电子的自旋量子数ms。直到1928年狄拉克把原子中的电子波函数经分析，只有作关于时间和空间坐标下可一次偏微分对易，提出相对论性量子力学波动方程，从这个方程可自然而然地导出电子的自旋量子数为1/2，以及电子自旋磁矩与自旋角动量之比的朗德g因子为轨道角动量情形时朗德g因子的2倍，获得了巨大的成功，并预言了正电子的存在。ms的值只能取1/2和—1/2，当ms=1/2时，表示电子逆时针自旋；当ms=—1/2时，表示电子顺时针自旋。至此，已清楚地表明：磁性源自在量子原理和相对论共同约束下电荷的一维时间与三维空间的对易！目前，在技术上已能对单个原子中电子自旋方向进行探测和操控。电子的两个自旋方向恰好可表示数据存储的数码0和1，若开发出利用电子自旋的量子计算机，只用一个原子就能代替现在计算机存储器单元所需的上万个原子，同时将计算机的能力提高数千倍，并且基于电子自旋的器件不会产生热量，大大降低功率损耗，增加可靠性和寿命。此问如同问宇宙大爆炸的那个点的起源，这下问到姥姥家了，姥姥的祖辈无穷尽。任凭诸多现象一层一层呈现眼前，也查不出起源何处何时。科学注重的是透过现象看本质，但逻辑上一切看到的都是现象。要不还是反观一下自我的好奇心吧，也许案情背后的起源和真相并非起源和真相，而是心识本来太强大，给自己设了一个没人玩得起的迷局。性色真空，现象与性质都是心识中泛起的花晕，空性中没有什么恒定坚固的起源和本质，如果有，一切事物既被固定的本质牵附，而不至于轮回变异，如果没有，宇宙又真真切切呈现眼前。心识就是这样，能现有相，令人寻求不止欲罢不能，能现空相，使人一念之间顿悟物即是心，空色不异。也许磁性真正的起源就是这个问题本身的起源。张祥前统一场论电荷静止的时候，周围空间分布了静电场，当这个电荷相对于我们观察者以速度V运动的时候，可以引起V垂直方向的电场的变化，电场变化的部分我们人为的叫磁场，磁场是环绕的，以速度V为轴心环绕分布。场的本质是空间本身的运动，空间向物体加速度运动，是引力场，空间以矢量光速运动是电场，空间以小于光速环绕运动是磁场。终于回到这个核心问题了。人们在利用磁能转化为电能之后就不再深入研究，这个领域已荒废很久。磁能磁场的研究可能为能量转化定律打开一个新窗口，也可能为统一场的研究划上一个圆满的句号，还有可能改变未来人们在生命在能源在交通等很多方面的基本认识和落后面貌，一次新的科技革命的到来将