互动科普

其实，狭义相对论的世界经常出现在我们的日常生活中。围绕原子核高速旋转的电子的运动就与狭义相对论密切相关。

电子以每秒17万千米的速度旋转

金属铂能够用作催化剂提高化学反应的速度，是现代社会中不可缺少的元素。例如，汽车尾气中有毒的一氧化碳与铂催化剂及氧气混合后，可以生成无毒的二氧化碳。在分解水分子，生成氧分子与氢分子的反应中，铂催化剂都必不可少。对氢燃料电池汽车来说，这一反应也不可或缺。

电子围绕原子核高速旋转，在其远离原子核的方向上存在着离心力（惯性力）。另外，带负电的电子与带正电的质子之间存在电磁引力。由于这两个力保持平衡，电子才得以围绕原子核旋转。原子序数越大，也就是说原子核中带正电的质子数量越多，原子核与最内侧电子之间的引力越大，电子的旋转速度也随之变快。

铂原子的质子非常多，高达78个。因此，沿着最内侧轨道旋转的电子的速度变得非常快，每秒高达17万千米，约为光速的57%。

当电子以如此高的速度旋转时，质量变大所带来的影响变得越发显著，无法被忽略掉。与不考虑相对论性效应时相比，最内侧的电子轨道半径变小。因此，外侧的电子轨道半径也随之变小。这意味着铂原子的直径小于没有考虑相对论性效应时所预想的直径。

日本东京大学生产技术研究所的福谷克之教授从事物质表面反应的研究。关于铂原子的特点，他介绍说：“催化反应基本上发生在金属表面。金属中电子轨道的大小对催化剂活性的影响非常大，因此，电子轨道的大小与能否用作催化剂密切相关。”研究认为，电子轨道的大小差异是铂拥有其他元素所没有的独特的催化作用的一大原因。

磁铁吸住铁的根源——自旋是什么？

除了电子轨道之外，狭义相对论还与磁铁吸住铁的机制密切相关。为了揭开磁性的“真面目”，让我们想象一下把磁铁细细分解为原子那么大的情形。其实，就算把磁铁分解到原子那么大，原子自身也有N极和S极，这是因为围绕原子核旋转的每个电子都有N极和S极的缘故。这些微型的“电子磁铁”正是所有磁铁的“根源”，它们被称为自旋（上图）。

自旋类似于电子的自转。就像线圈通电后会成为电磁铁那样，带电的电子旋转时，相当于产生了环形电流，所以就变成了磁铁。日本东北大学金属材料研究所的齐藤英治教授从事自旋性质的研究。关于自旋的历史，他介绍说：“自旋这一性质是从结合了狭义相对论与薛定谔方程的狄拉克方程自然而然地推导出来的。也就是说，狭义相对论揭开了磁性的真面目。”

铁、镍等金属元素由于部分电子磁铁的磁性相互增强，所以整体磁性变得非常强，这种特性称为铁磁性。利用这种特性，不仅可以制造日常生活中常见的条形磁铁，还可制造有史以来磁性最强的磁铁——钕磁铁等各种永久磁铁。也就是说，要想制造强力磁铁，必须充分理解自旋性质。毫不夸张地说，通过日常生活中最常见的磁铁，我们在不知不觉中亲身体验了狭义相对论。

图1. 磁铁与自旋

因为电子（无法再分割的基本粒子）具有N极和S极，所以，无论把磁铁分割得多么微小，它都有N极和S极。由于电子存在自旋（类似自转，是电子的一个基本属性），所以其自身具有磁性。不过，一个原子中有多个电子，它们的自旋相互抵消，多数电子的自旋与磁性无关。不过，铁、镍、钴等金属元素由于部分自旋的磁力相互增强，因此整体磁力变得非常大。

从电子学到自旋电子学

自诞生以来，电子学（控制电子的运动）获得了蓬勃发展，制造出以计算机为代表的各种各样的电子产品。近年来，一个新兴的研究领域——自旋电子学也取得了长足进步，它不仅利用电子的运动，而且还利用其自旋性质来制造超越原有界限的高性能、节能电子产品。巨磁阻效应是自旋电子学中最具代表性的现象。通过应用巨磁阻效应，计算机硬盘的磁头（读取数据的装置）的读取性能实现了飞跃性提升。今后，随着自旋电子学的进一步发展，人类或许能制造出各种更加卓越的电子产品。

（本文发表于《科学世界》2016年第10期）