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英国物理学家欧文·W.理查森(Owen W.Richardson)的整个科学生涯都集中在了电子的相关问题上。他的科学工作始于1901年,是原子学说中统计方法的模范样本,研究中运用了均值实验装置。[2]在汤姆森的指导下,理查森了解到了许多物理现象,包括带电线路发散出的物质电子等。在因袭这一传统的情况下,他进行了一系列的改良实验。实验中,他对铂进行加热,然后通过旁边的试探电极测量产生的电流。根据电流强度(发射出的电子数)可以绘制出铂的温度函数曲线。在研究地点由剑桥大学转移至普林斯顿大学后,这位英国物理学家改进了他的研究。他在接收线上加上了负电荷,所以只有具有一定速度的电子才能穿透电屏障。通过改变温度和负电荷强度,他发现电子的速度分布同麦克斯韦猜想的带电线分布情况完全相同。理查森的这一简单实验发表于1908年,是首次对气体物质粒子麦克斯韦-玻尔兹曼分布情况的直接测量。[3]
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在普林斯顿大学进行研究期间,理查森的工作手册中记录了他对物质电子探索方法的广泛思考,其中包括发现宏观物体电子带电率的化学、磁力学和光谱学方法,以及检测正负电荷万有引力的方法等。[4]1907年,基于电流的粒子性本质,理查森计划对安培假说进行重新实验,他再次选择了宏观方法和平均水准的实验装置。实验方法如下:环形轨道中的电子的角动量L=r(mur)=2ma,其中m为电子质量,u为角速度,r为轨道半径,a为单位时间内扫过的面积。随之产生的磁矩M=ea,其中e为电子电荷。因此,旋磁比K(角动量与磁矩的比)与角速度和轨道半径无关:
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理查森的算式可以简单地运用于任意封闭轨道的计算。假设电子和正粒子同时在轨道中,且掠面速度不同,然后他对K值进行了更具普遍性的计算。[5]
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对于所有的轨道而言,K是一个常量。这启发理查森进行了一项简单的实验:将一根铁棒悬空,突然在铁棒上加上磁化强度M的磁场,会得到相应的角动量变化,值为(2m/e)M。同麦克斯韦一样,理查森也未能获得预期的旋转效果,他将实验的失败归因于某种未加明确的“干扰效应”。虽然理查森竭尽全力仍未能获得有效结果,但是1914年他对物质电子重拾信心,相信自己的实验最终会获得积极的结果。[6]
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图2.3是这一效应的机械模拟,图中更为清晰地展示了实验的状况。假设两个相同的陀螺仪旋转方向相反且角速度相同,将它们背对背置于横杆的两端,此时整个装置系统的总角动量为零。横杆正中置于支点上,并且可以以支点为中心旋转。通过旋转臂内部作用将两个陀螺仪立起至竖直方向转动,总角动量将不再是零而变成了2L。为了补偿角动量的变化、保持平衡,整个装置将开始旋转。理查森希望能为这种外层绕轨电子组成的、造成了磁体宏观旋转的微观陀螺仪定向,但是他并没有观察到预期的实验现象。[7]
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图2.3 理查森或德哈斯效应的机械模拟。若将两个旋转方向相反的陀螺仪举起并置于横杆两端,且旋转轴线(旋转方向)互相平行,整个装置将开始旋转。理查森和爱因斯坦的假设类似,双方都认为永磁体是由许多基本磁体构成的。这些磁体环绕着惯性电子旋转,如同微小的陀螺仪。当磁场为这些微小磁体进行定向时,它们的角动量也将被定向,进而使得整个装置出现旋转。
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[1] 参见Buchwald,Matter,Ph.D.thesis.Harvard(1974),他这篇思路清晰的综合性论文是关于麦克斯韦学说,参见From Maswell to Microphysics(1985),esp.23 and 38ff.
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[2] 斯图埃沃适当地捕捉了理查森在1910年前后提出的观点:“理查森本可以采用热力学方法,直接避免对微观世界的假定。”因此宏观仪器非常适用于对微观物理学实体进行统计学推断.参见Stuewer,Compton Effect(1975),61。
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[3] Richardson and Brown,“Kinetic Energy,”Philos.Mag.16(1908):353-376.
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[4] Richardson,“Projected Researches,”n.d.,Richardson Papers,microfilm,reel 18,ms.W-0624.
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[5] Richardson,“Mechanical Effect,”Phys.Rev.26(1908):248-253.
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[6] Richardson,Electron Theory(1914),397.
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[7] Richardson,“Mechanical Effect,”Phys.Rev.26(1908):253.
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实验是如何终结的? 爱因斯坦的实验
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爱因斯坦对安培假说具有的实验兴趣至少可以追溯至1905至1909年间。那时,他常常同汉斯·费吕克格尔(Hans Flükiger)和汉斯·罗滕布勒(Hans Rothenbüler)这两位对实验物理学抱有兴趣的年轻人见面。在一次偶然的机会中,他们在瑞士伯尔尼城市(Städtische)中学的物理室进行了实验。据一位历史学家说,他们的实验是为了检测安培假说。[1]
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无论爱因斯坦之前对于安培假说有多么大的兴趣,后来的爱因斯坦-德哈斯实验都是他的专利工作成果。自1902年6月起,他开始在伯尔尼的瑞士联邦专利局中工作,职位是三级技术员,四年后晋升为二级技术员。在专利局局长弗里德里希·哈勒(Friedrich Haller)的眼中,这位年轻的物理学家是“局里最受人尊敬的技术专家”之一。[2]从爱因斯坦后来所作的评论来看,他自己对这份专利方面的工作是十分热爱的。在一生之中,他一直保持着对机械和专利的兴趣。比如,他与哈比希特(Habicht)兄弟一起设计了灵敏度较高的电气测量仪,又与里奥·西拉德(Leo Szilard)共同研发了冷却技术并申请了专利。[3]最为重要的是,他一边继续着专利工作,一边开始投入到了实验物理学的研究中:“通过准备好的旋磁罗盘相关技术报告,我被引领到了对顺磁原子本质的论证中。”[4]
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在“一战”之前,为了满足技术和军事上的需求,发明家和实业家们开始生产旋磁罗盘。[5]船舶的金属材质对磁罗盘的可靠性造成了严重破坏。后来船舶开始在船上自行发电,来供应照明、仪表设备和电动马达的使用,这使得情况更加困难和危险。潜艇周围环绕着密闭的钢制外壳,更加无法使用磁罗盘进行导航。由此,陀螺仪成为了众望所归的替代物。
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在陀螺罗盘的开发过程中,有两家公司独占鳌头,分别由美国发明家、实业家埃尔默·A.斯佩里(Elmer A.Sperry)和他的竞争对手H.安休兹(Hermann Hubertus Maria Anschütz-Kaempfe)博士带领。安休兹的最初想法是欲为两极海底探测而建设制导装置。[6]但是,当德国海军军官对这一新型设备表现出了兴趣时,安休兹却改变了计划,在海军的协助下开始制造陀螺罗盘。它的基本原理十分简单。在南北极点之外的纬度上,随着地球的自转,沿着子午线指向北极点的罗盘将偏离地球表面的切面,逐渐由该平面向东倾斜(见图2.4),使得罗盘指向不再准确。安休兹发现,若向陀螺仪边框施力,陀螺仪将出现进动现象(见图2.5)。在地球自转条件下,陀螺仪仍能指向子午线。
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基于这些原理,这位德国发明家设计了首个陀螺罗盘,在海军舰队旗舰德意志(Deutschland)号上测试成功后,获得了广泛的关注。[7]斯佩里认为这一新型技术必将迅速成为航海领域不可或缺的一部分,下决心对原始模型进行系统性的改进,进而夺取安休兹的上峰位置。在对这一发明的改进过程中,斯佩里接受了美国海军的资助和支持,为了使其适应不同纬度条件下船舶的行驶速度和运动情况,对陀螺罗盘进行了改进。两家公司间的竞争最终以1914年5月基尔海军基地举行的选拔赛告终。[8]结果是安休兹一方取得了胜利。斯佩里一方的代表认为德国鉴定委员会对本国人安休兹进行了偏袒,这使得斯佩里十分愤怒。这种不好的感觉并没有就此结束:在同一年,安休兹和一家英国公司均针对斯佩里提起了专利侵权的诉讼。
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