磁陀螺運動與現代物理學漫談（2）——我們該如何研究磁陀螺運動？

【刊載按】：自即日起，本博将連續推出《磁陀螺運動與現代物理學漫談》系列實驗、思考短文；該系列短文是以我已定稿的《磁陀螺運動與現代物理學》這篇長論文為藍本改寫而成；本來我想将《磁陀螺運動與現代物理學》一文在博客中全文刊出，但考慮到有些實驗還沒有完全做到位，一些論述觀點還需要再斟酌，為了便于以後補充、修改和與老師、朋友們讨論、交流，以及兼顧現代人的閱讀習慣，就改為這種簡短的“漫談”形式連續刊出。

在此，熱忱歡迎廣大老師和朋友們能夠閱讀和參與交流，并熱切期望您們給出指導、批評、建議，以期為早日撥開現代物理學“迷霧”，開創物理學理論新未來，抛磚引玉！

磁陀螺運動與現代物理學漫談（2）——我們該如何研究磁陀螺運動？

司今（）

物理學主要是研究物質在時空中運動及其相關概念的科學，它包括能量、動量和作用力；更廣義說，物理學是對大自然運動現象研究的綜合與分析，目的是為了尋求和闡述宇宙間物質運動所應遵循的規律。

物理學研究領域的基本組成要素是質量、能量、空間、時間及其相互作用力；常采用基本定律與法則來完成理論邏輯系統。

物理學理論研究常用的方法有：

模型法：如對原子結構的認識和研究就須建立一個物理模型，如盧瑟福理論中的“行星結構模型”等。

類比法：如電磁學中，用電場的一些屬性和定義去描述磁場的方法就是如此。

實驗法：如電磁學中，庫倫電荷和磁荷定理等是通過實驗得來的。

等效法：如麥克斯韋在解讀法拉第力線與場時，就采用水流模型來說明和定量電流。

轉換法：如在電磁學中，高斯定理所描述的磁感應強度就是将庫倫磁定理所定義的磁場強度轉化成了用磁力線面密度來描述。

推理法：如麥克斯韋通過LC振蕩現象，提出位移電流存在，并進一步推理出電磁波存在。

猜想法：表面上看，它與推理法相近，但本質不同，因推理是建立在一定理論基礎之上的“猜想”；而猜想法隻是根據現象做出的“推斷”，并不能從理論上給予清晰說明，如“波粒二象性”就是用“猜想法”給出的結論。

當然，一種理論的建立并不是孤立地隻用一種方法，常常是多種方法的組合，如原子結構理論就必然包含以實驗為基礎的庫倫定理和圓周運動理論。

這裡要特别強調一下“物理模型”問題：任何一個物理理論的建立都必須直接或間接地建立一個清晰的物理模型。

同時，物理模型會随理論的變化而變化，如，原子結構模型，曆史上先後有湯姆遜的“蛋糕+葡萄幹”模型、盧瑟福的“行星結構”模型，玻爾的“自旋行星結構”模型等，不同模型所産生的理論是不一樣的；如何甄别模型的正确性呢？實驗，隻有實驗！盧瑟福就是用原子核散射實驗否定了湯姆遜模型，然後建立了自己的物理模型和理論物理；玻爾則通過對“紫外線災難”的分析，否定了盧瑟福模型，推出自己的物理模型和量子理論；可見，物理模型在物理學理論研究中占有極其重要的位置。

物理學理論研究的步驟一般為：

1、觀察現象，包括對自然現象和實驗現象的觀察等，通過多次觀察、實驗以确定此現象有沒有規律可循。

2、思考分析，利用現有的相關物理理論對所觀測或實驗的現象或事物做一抽象思考，剔除無關因素，确立主要因素，為建立理論規律作準備。

3、建立理論，包括物理模型、定量描述、推理預測等組成結構形式，對此可用歸納、演繹、類比或歸謬等推理形式，但邏輯推理過程要嚴謹、自洽。

4、驗證理論，用新實驗對你建立的理論或結論做以驗證.。

5、升華理論：重複1—4步驟，直到得出能夠比較符合觀察或實驗描述實際的正确理論或結論為止。

那麼，對于磁陀螺運動，我們該去如何研究呢？

我想也不外上述幾個步驟，即：首先在磁場中做磁陀螺運動實驗，然後分析影響磁陀螺運動變化的主要因素，再确立磁陀螺在磁場中運動的理論模型，再在上述實驗基礎上改變實驗方法、方式，對已确立的理論或結論加以驗證、補充和完善……

不過，磁陀螺運動不同于一般的陀螺運動，因為它除了具有一般陀螺運動特點外，還有磁場，因此說，磁陀螺運動問題既屬于經典牛頓剛體力學範疇，同時又屬于場物理學範疇，因此，對它的研究既要考慮經典力學學中的影響因素，又要考慮磁場的影響。

本漫談對磁陀螺運動研究的方法和步驟是：

1、實驗觀察

實驗是一切物理理論建立的基礎，本文首先從磁陀螺運動實驗開始，觀察它在不同磁場中的運動變化，看看它們的運動有沒有什麼新的規律可循，為下一步分析作準備。

2、對比分析

通過實驗觀察，可以看出磁陀螺運動與陀螺運動有很多相似的地方，但也有一些不同的地方，這時，就需要通過“對比分析”來找出産生這些“不同”的原因。

2.1、地面陀螺與磁陀螺運動行為的對比分析

磁陀螺不同于普通陀螺的地方是普通陀螺沒有磁性，而磁陀螺卻有磁性，如下圖所示。

在地面上，磁陀螺運動與普通陀螺運動有很多相似的地方，但也有不同的地方，如外界磁場對磁陀螺與普通陀螺運動的影響就有明顯差異，即磁場磁極對磁陀螺自旋軸磁極有力作用，但對非金屬的普通陀螺自旋軸極卻沒有什麼影響。

通過比較它們在磁場中運動的差異，找出産生這種差異的主要因素，就可以沿用經典陀螺運動描述語言來重新闡述磁陀螺在磁場中的運動規律了。

2.2、地面陀螺與太空陀螺運動的對比分析

如下圖，在水平面上，我們垂直放置一個自旋陀螺，當對其自旋軸上端施加一個瞬時推力時，它就會産生進動效應。

地面陀螺軸上端受瞬時力作用進動圖

但在微重力的太空環境下，施加瞬時推力就不會産生進動效應；關于這一點，我們可以從王亞平“太空陀螺實驗”視頻中看出來：如下圖，當王亞平用手指“點擊”自旋陀螺軸上端時，陀螺軸并不會傾斜，也沒有進動效應出現，而隻産生自旋軸方向不變的水平運動，這就與我們地面上的陀螺受力所産生的運動變化大為不同，為什麼？因為太空中沒有了重力場影響，對自旋軸就無法形成持續的力矩作用，故也就不能産生質心進動了。

可見，陀螺進動效應是持續力矩作用的結果，如果沒有持續力矩存在，則它就形成不了穩定的進動，即在微重力下，陀螺定軸性是建立在沒有持續力矩作用的瞬時力概念之上的。

假如我們把王亞平手中的陀螺變成一個包含N、S極的磁陀螺，當聶海勝拿着一個條形磁體靠近從王亞平處發出的自旋陀螺軸上端時，磁陀螺将會作怎樣的運動呢？——我真希望能見到這個實驗出現！

2.3、地面磁陀螺與太空磁陀螺運動的對比

關于上述太空實驗問題，我的推理是：磁陀螺自旋軸上端因受條形磁體磁極影響，會産生一個持續的水平力矩分量，從而使它繞該磁體作曲線運動，這與地面上做同類實驗的運動結果基本相同，隻是由于太空中沒有了重力場影響，磁陀螺還會向條形磁體磁極方向産生“漂移”罷了，如下圖。

認清這一點很重要，因為在太陽系或原子系中，太陽、行星、原子核、電子都有自旋和磁場存在，自旋的磁性行星或電子在太陽或原子核磁場運動時，就不存在重力場影響問題，這就為磁陀螺運動的研究與應用開辟了更廣闊、更深刻的空間。

2.4、磁陀螺運動研究中的困難分析

我們教科書對普通陀螺運動研究得較多，較深入，但關于磁陀螺運動的研究卻幾乎是空白，而且，磁陀螺運動要比普通陀螺運動複雜得多，特别是它在不同磁場中的運動情況。

目前，磁陀螺運動研究的主要困難在于：

（1）、磁陀螺實驗與研究的重點是在無重力場影響下進行為佳，但現在無法在微重力環境下對磁陀螺在磁場中的運動展開實驗，這就阻撓了對它運動規律的深入探讨與研究。

（2）、對磁性起源、磁場空間類型、及磁場與磁陀螺之間相互作用的物理機制等認識不足，對場及空間的認識還拘泥在經典力學範疇中不能自拔等。

（3）、現有磁場理論不适于描述磁陀螺在磁場中的運動，具體說就是：現在的磁場理論及其物理模型是以法拉第力線為基礎而建立起來的，但法拉第力線隻是一種人為“假想”線，它實際并不存在，用這種假想線模型來處理“宏觀”磁陀螺在磁場中的運動顯然是不合适的，為此，就必須對現有的磁場理論進行修訂，以便找到一個更适合于磁陀螺運動描述的磁場模型和理論——詳細論述請參閱《重論法拉第力線》一節。

3、建立理論

通過實驗觀察與對比分析，我們可以得出磁陀螺在磁場中運動主要受以下幾個因素影響：（1）、磁場剪切力（2）、磁場磁極矩力（3）、磁場梯度力。

（1）、磁場剪切力就是我們教科書常說的切割磁力線力，是平動磁陀螺軸二端受二個磁場磁極吸引影響而使其平動速度方向發生改變所表現的力；這種力會使自旋磁陀螺産生曲線運動；其實，從自旋陀螺運動觀點來看，磁場切割力是不存在的，它隻是磁極矩力的另一種表現形式。

（2）、磁場磁極矩力就是磁體磁極對自旋磁陀螺磁極所産生的磁力，它包括二種形式：①.自旋磁陀螺軸與磁極力線平行狀态下所産生的磁極力；②.自旋磁陀螺軸與磁極力線不平行狀态下所産生的磁極矩力。

（3）、磁場梯度力就是磁陀螺在磁場空間所受的磁場磁極力不相等時，就會産生向磁場磁極移動所表現出的力，如下圖，在磁場空間的0、1、2平面内分别放置小磁針，則磁針0會懸浮在B0平面（等磁極力面）上不動，但磁針1、2則會向磁極産生運動。

但對于平動自旋磁陀螺而言，這種運動就不同于無自旋的小磁針運動了，如下圖所示，它會産生螺旋下落運動。

磁陀螺在磁場中的受力形式并不是孤立的，而是交織存在，在陀螺磁場對磁陀螺運動影響問題上，就要視那個影響因素占主導地位而定。

4、驗證修訂

驗證通常是改變原用于得出理論的那個實驗的磁場形态，重新設計實驗，對已得結論加以驗證。

驗證步驟是，先确定磁體磁極形狀和磁場空間分布形态，再預測磁陀螺通過此磁場空間會産生怎樣的運動；然後做實驗，如實驗結果與預測一緻，說明上述預測正确，否則，須對上述理論或結論加以修訂。

如，磁陀螺在均勻磁場的等磁極力面B0中會做洛倫茲運動，假如不在B0平面，則會做“洛倫茲+磁場梯度力”運動，為此，我們設計如下圖實驗給予驗證，驗證結果與預測一緻，說明我們得出的磁陀螺在磁場中運動的受力規律是對的。

同樣的，在費曼《物理學講義》第2卷第29章第6節《加速器中的導向場》（P339）中，對電子在磁場非B0磁面中的運動也有一定讨論，且這個讨論結果與我們上述實驗驗證結果幾乎是一緻的,即在非B0磁面上，加速器中的電子可産生垂直向上或向下的“聚焦”運動，這也證明了電子确實像一個自旋磁陀螺。

5、推廣應用

研究磁陀螺運動的最終目的是要給現代物理磁學找出一個清晰的、統一的物理模型，然後加以推廣應用，這種應用領域包括宏觀星體和微觀粒子二個方面。

我們知道，太陽、行星、原子核，電子等都是自旋體，且都有磁場存在，如果将它們看做是一個個自旋磁陀螺，那麼，它們繞中心體磁場的運動原理就應與磁陀螺繞中心磁體的運動原理基本相同；同樣的，在均勻磁場空間的磁陀螺運動原理也應适于解釋電子的“洛倫茲運動”。

在宏觀方面，如，本漫談所介紹與研究的“楊燕實驗”，如果在微重力環境下，磁陀螺繞中心磁體的運動就與帶有磁場的自旋地球繞太陽磁場運動的情形幾乎相同，這就可以把微重力環境下的“楊燕實驗”所得的磁陀螺運動原理應用到對地球繞太陽運動的解釋上，同時還能解釋地球自旋軸傾斜等問題。

在微觀方面，如，本漫談所介紹與研究的“磁極矩實驗”，就可用于解決“法拉第電磁感應”形成的物理機制問題等。

磁陀螺運動研究與應用的重要性關鍵是要與“物體自旋可以産生自旋磁場”這一結論相銜接，如果這一結論正确，那麼，自旋的太陽、地球、電子、光子等都可以看做是一個帶有自旋磁場的磁陀螺體，隻要我們能夠對磁陀螺運動作深入了解與研究，然後将得出的規律或結論運用到太陽、地球、電子、光子等包含有自旋的物理運動現象中去，那麼，這些運動現象所蘊藏的物理本質問題就可以迎刃而解了。同時，我們也可以利用星體、電子、光子等的一些運動現象來反推磁陀螺運動的一些規律——可以這麼說，在研究磁陀螺在磁場中運動方面，微觀世界粒子領域已走在了前頭。

同時，盧瑟福用“太陽系模型”來推理“原子系模型”的思維方式也給我們帶來啟迪：尋找大自然現象中的“類比”，可以極大豐富磁陀螺運動研究的内涵和應用範圍；

物理學研究既可以“以大看小”，也可以“以小看大”；今天，我們為什麼不可以用已建立和掌握的一些粒子運動規律來反哺宇宙星體運動的研究呢？

本文引用地址：此文來自新浪“陀螺——上帝擲出的骰子”博客，轉載請注明出處。

【參考文獻】略

【注】：

1、關于幾個實驗視頻地址：

王亞平“太空陀螺運動實驗”視頻：

梁發庫老師所做“磁極對磁陀螺運動影響實驗”視頻：

梁發庫老師所做“楊燕實驗”視頻：

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