现在我们想要来证明,按照经典力学完全不可能有抗磁性或顺磁性。这听起来有点像发疯似的——起初,我们证明了存在顺磁性、抗磁性、进动轨道等等,而如今却又要证明那是完全错的。的确,我们将要证明若 你跟随经典 力学走得足够远,则不会有这样的磁效应,因为它们全都抵消掉了 。如果你在某处开始做经典论证并且不走得太远,则你可以获得任何想要获得的答案。但唯一合理而又正确的证明却显示不会有任何磁效应存在。
经典力学的一个结论是:若你有任意类型的系统——比如含有电子、质子或其他任何东西的气体——被保持在一个箱子中以致整个系统不能够转动,则不会有任何磁效应发生。如果你有一个孤立系统,比如由其本身维系在一起的一颗星体,当你加上磁场时它就能够发生转动,那么就可能有磁效应。但如果你有一块材料,它的位置被固定得不能发生旋转,那么就不会有磁效应了。我们所谓抑制自旋的意思可以概括为:在某一给定温度下,假定系统只有一个 热平衡状态 。于是定理讲:如果你开动磁场并等待该系统达到热平衡状态,则不会有顺磁性或抗磁性——不会有感生的磁矩。证明:按照统计力学,一个系统将处于任意给定运动状态的概率与e-U/kT 成正比,其中U为系统运动的能量,那么,运动能量又是什么呢?对于一个在匀强磁场中运动的粒子,其能量等于通常的势能加上动能mv2 /2,磁场并不会附加任何东西[你知道,来自电磁场之力为q(E+v×B),而功率F·v正好就是qE·v,并不会受磁场影响]。因此一个系统的能量,不管是否处于磁场之中,始终等于动能加上势能。既然任何运动的概率仅取决于能量——这就是说,取决于速度和位置——不管是否有磁场存在都一样。因此,对于热 平衡来说,磁场并不会有影响。如果有一个系统处于箱子中,然后有另一个系统处于第二个箱子中,但这回是存在磁场的,那么处于第一个箱子中的任何一点具有任何特定速度的概率将与在第二个箱子中的相应概率相同。如果在第一个箱子中并没有平均环行电流(这将不会出现,倘若是与静止箱壁达成平衡的话),那就不会有平均磁矩。由于在第二个箱子中一切运动又都是一样的,所以那里也没有平均磁矩。因此,如果温度保持不变而热平衡在磁场开动之后又重新建立起来,则按照经典力学,不可能存在由磁场感生的磁矩。所以我们只能从量子力学方面得到有关磁现象的满意理解。
可惜,不能假定你们对量子力学已有了充分理解,因而这里不可能是讨论这一课题的场所。反之,我们并不总得在学习某些东西时先学习正确的法则,然后学习如何把它们应用于不同情况。在本科中几乎所有考虑到的每一课题都曾经按照另一种方式处理过。对于电学情况,我们曾在“第一页”就写出了麦克斯韦方程组,然后才推导出所有的结果来。那是一条途径。但我们现在决不 试图去创立新的“第一页”,即把量子力学的各个方程都写下来并从它们推导出一切东西。在你们弄清楚其出处以前,我们将只得告诉你们某些量子力学结果。在这里我们就这样干。