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1700966234 图2.1 麦克斯韦的首次实验(实验时间为1870年前后)。假设电流同水流一样具有惯性,那么突然将线圈接通电流时,线圈应出现转动,且转动方向与电流方向相反。若使水流涌入盘绕状的花园中,就会出现同样的运动方向相反的效果。这便是麦克斯韦设计的首个电流惯性测试实验,虽然他可能从未真正进行过实验操作。来源:Maxwell Treatise(1881),201.
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1700966236 1861年,麦克斯韦创建了《专论》中所述的第二次实验中使用的装置,用来测量恒定电流的惯性效应。如图2.2所示,线圈A的两个端点(B和B′)固定,线圈可以环绕其自由转动,将电流加在线圈A上。衔铁线圈D在竖直方向上由两点(E和F)固定,可以整体向水平面倾斜。滑轮上的石英纤维在点F正上方,用于固定衔铁的旋转速度。由点E处的两组电刷向线圈A接入恒定电流。
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1700966241 图2.2 麦克斯韦的第二次实验(1861年)。若电流具有惯性,则线圈接通电流后将出现类似陀螺仪的运动现象。当线圈本身为旋转动量时,它将出现进动。麦克斯韦在实验中并未观察到这样的进动现象。(根据麦克斯韦1881年发表的《专论》第203页进行了部分修改。)
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1700966243 若电流带有动量,则线圈将以类似陀螺仪的形式绕纵轴向前运动。基于陀螺仪和旋转电枢角动量的相对方位,陀螺仪或者上倾或者下倾。对于有沿水平方向旋转陀螺仪轴线经验的人来说,这样的实验效果应该并不陌生。向一个方向旋转时,陀螺仪将出现上倾,反之亦然。若麦克斯韦的实验产生的是肯定的结果,那么应该可以说明实质性的、具有惯性的电流的存在和它的方向。
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1700966245 麦克斯韦在线圈A中插入了一根铁条S,试图以此对安培假说进行测试。根据他的推论,线圈中的电流将使铁条磁化,为每个磁性分子周围环绕的微观电流导向,进而增强他试图测算的倾斜度。但是他并未观察到预期的效果,对于这次失败的实验他做出了这样的解释:
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1700966247 实验中主要的难点在于地球磁力的干扰性,受到干扰后电磁体的表现类似于磁倾针(一种垂直指南针)。因此,获得的结果并不精确,但是没有证据证明θ角(线圈A的中轴与水平方向间的夹角)会发生改变,即便线圈中插入铁芯、变成了强电磁体后结果仍然如此。[8]
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1700966249 麦克斯韦几乎没有机会可以观察到预测的倾斜情况。在没有电流本质模型的情况下,他无法计算电流传递的质量。1915年,德哈斯夫妇二人(万德尔·德哈斯和G.L.德哈斯-洛伦兹)在“电子是电传导的基础”这一前提下,说明了使用类似麦克斯韦实验的设备时,预期的倾角将十分微小,为0.00013度切角,肉眼无法观察到。[9]
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1700966251 后来,麦克斯韦又设计了第三次实验,和之前的两次一样,也是为了测试电流是否会输送惯性质量。短路的线圈在其水平面上具有角加速度。若这一未知的电流具有惯性质量,则它的运动将落后于线圈。线圈上产生的相应电流将产生磁场,进而可以被测算。麦克斯韦可能进行了这一实验,他采取的这一想法可能是源于他在1863年建造并使用的实验装置。该装置是用于测量绝对单位制下的导线电阻。[10]在该次实验中,地球磁场中的短路线圈发生了旋转,麦克斯韦检测到了对流电路产生的磁场。据他估算,该实验的测量精确到了万分之一。可能正是这样极端的敏感度促使他在《专论》中评论称,他的电流惯性实验虽然未取得有效结果,但实验的意义很可能是非常深远的:
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1700966253 同使用电流计进行的电流有无性检测相比,精确度更高的科学观察少之又少……因此,若此种方式(线圈加速)可以产生电流,那么即便电流十分微小,也是可以被检测出来的……然而,由于并没有证据可以证明这样的(电流)是存在的,我应该假设它并不存在,或者至少应该假设它不会产生明显效应,这样的假说将会在相当大的程度上简化我们的动力学理论。[11]
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1700966255 与此相反的假说——惯性电荷假说,直到1895年“电子”概念的引入才开始盛行起来。
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1700966257 [1] Ampère,“Mémoire 2 Octobre,”Ann.Chim.Phys.15(1820):74-76.
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1700966259 [2] Ampère,“Electrodynamique,”Mémoire 6(1823,issued 1827):303.
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1700966261 [3] Knudsen,“Kelvin’s Notebook,”Centaurus 16(1972):41-53;Smith and Wise,Energy and Empire(forthcoming),chap.12.
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1700966263 [4] Williams.“Ampère,”Am.J.Phys.54(1986):306-311,引自安培和法拉第关于分子磁体争辩的观点。
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1700966265 [5] Maxwell,Treatise(1881),202-203.
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1700966267 [6] 1870年5月18日的信件,参见Strutt,Life(1968),46.
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1700966269 [7] Tolman and Stewart,“Acceleration,”Phys.Rev.8(1916):97-116,and Tolman,Karrer,and Guernsey,“Further Experiments,”Phys.Rev.21(1923):525-539.
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1700966271 [8] Maxwell,Treatise(1881),205.
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1700966273 [9] De Haas and de Haas-Lorentz,“Proef,”Verslag 24,no.1(1915):398-404.
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1700966275 [10] Jenkin,ed.,Reports of the Committee on Electrical Standards,Appendix D(1873).
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1700966277 [11] Maxwell,Treatise(1881),206.
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