●スピン軌道相互作用

 スピン軌道相互作用とは、電子のスピンと電子の軌道角運動量との相互作用のことである。これは相対論的効果であることがわかっている。 ウィキペディア:スピン軌道相互作用

 スピン軌道相互作用は電子の公転に伴う効果である。ウィキペディアには「水素原子内の電子は陽子のまわりを回転しているが、これを電子の上に乗っている人から見ると、電子のまわりを陽子が回転しているように見える」とある。それが相対論的効果だと言うのであれば、素直に考えれば、相対性理論は座標系の並進ではなく座標系の回転に伴う効果を記述していると理解すべきではなかろうか。

 相対論的効果とは、私の見方では座標系そのものの高次元回転による効果だ。数学的にローレンツ変換で表わされるが、動径の回転ではなく座標系自身の回転が原因である。相対性理論では、回転後の座標系は共変座標という概念で記述される。回転後の動径の複素ベクトルの内積には縮約という概念が用いられる。座標系の回転を記述するための道具がしっかりと整備されている。

 複素座標系が回転するとき、ローレンツ因子で計算される効果が発生することを図示してみたい。

ローレンツ変換図

 ある平面において、複素座標系が原点を中心に回転していると仮定する。実R軸が虚数角θだけ回転して実R'軸に移ると考える。座標原点から光が光速cで放射されるとする。放射の方向は実軸方向だが、座標系の回転の前後でR軸方向およびR'軸方向になる。座標系の回転によって光速には虚軸成分が発生するので、この虚軸方向の速度をvとする。座標系の回転速度が小さいうちは、この速度vは座標系の回転速度にほぼ等しい。
 回転後にR'軸方向へ放射される光の速度を、回転前の座標系で測定するとどうなるだろうか。観測結果は光速cが1/γ倍に短縮されるとすると、三平方の定理から v^2+(c/γ)^2=c^2 である。整理すると ローレンツ因子 になる。単純にローレンツ因子が導かれてしまった。

 電子のスピン軌道相互作用の原理を考えてみる。電子の自転は実1次元虚2次元の高次元座標系で表わされる。この高次元座標系が、電子ごと公転軌道を公転していると考える。この高次元座標系には実軸が1本だけあるが、この実R軸は公転の中心と電子とを結ぶ方向だ。つまり、電子が1回公転すると、実R軸は基準となる空間に対して1回転する。電子の公転が高次元座標系そのものの回転になるのだ。この結果「相対論的効果」が発生することになる。



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