1700966312
1700966313
[3] Richardson and Brown，“Kinetic Energy，”Philos.Mag.16（1908）：353-376.
1700966314
1700966315
[4] Richardson，“Projected Researches，”n.d.，Richardson Papers，microfilm，reel 18，ms.W-0624.
1700966316
1700966317
[5] Richardson，“Mechanical Effect，”Phys.Rev.26（1908）：248-253.
1700966318
1700966319
[6] Richardson，Electron Theory（1914），397.
1700966320
1700966321
[7] Richardson，“Mechanical Effect，”Phys.Rev.26（1908）：253.
1700966322
1700966323
1700966324
1700966325
1700966326
实验是如何终结的？ [:1700965597]
1700966327
实验是如何终结的？ 爱因斯坦的实验
1700966328
1700966329
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]
1700966330
1700966331
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]
1700966332
1700966333
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。
1700966334
1700966335
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。
1700966336
1700966337
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。
1700966338
1700966339
1700966340
1700966341
1700966342
图2.4 陀螺指向仪。陀螺仪完全悬浮，可以向任何方向转动，虽然地球会自转和公转，但陀螺仪将一直指向天球上的同一点。但是，在北极点之外的任何纬度上，随着地球自转，陀螺仪将偏离于地面的平行方向，不再适合用于导航。来源：Davidson，Gyroscope（1947），72.
1700966343
1700966344
1700966345
1700966346
1700966347
图2.5 陀螺罗盘。同简单的指向仪不同，真正的陀螺罗盘受力后，陀螺仪中轴将被推向与地面平行的方向（即地球切面）。早期使用的安休兹罗盘机制简单，通过砝码使陀螺仪保持水平。砝码的力使得陀螺仪向切面扭曲，并出现进动，陀螺仪轴线与地球旋转轴平行。由于陀螺仪的中轴被固定在切面上，因此它的进动呈现与地球旋转轴平行的趋势，陀螺仪中轴最后会沿纵线指向真正的北极点，而非指向磁北极。来源：Davidson，Gyroscope（1947），73.
1700966348
1700966349
针对安休兹的诉讼，斯佩里明确进行了抗辩，他试图说明安休兹的公司在19世纪的观点之上并未做出实质性的技术推进。[9]为了对这一案件和其他事项进行判决，法院传唤了专家证人爱因斯坦。斯佩里的团队还主张，安休兹于1906年获得的专利实质上是借鉴了荷兰人马里诺斯·杰拉杜斯·范登博思（Marinus Geradus van den Bos）的专利。[10]1915年8月7日，爱因斯坦在证词中对这一说法进行了否认，他表示，在范登博思的专利中，陀螺仪中轴的自由度很显然仅有2°，因此船舶在航行时陀螺仪无法向子午线产生进动，“即便是船体轻微的晃动也会导致陀螺仪中轴的无规则晃动”[11]，这一说法的信服力较高（见图2.6和2.7）。法院最终判决安休兹一方胜诉，判决下达之后，爱因斯坦再次受邀对1918年和1923年涉及安休兹的几桩诉讼案件进行评判。[12]爱因斯坦成为了陀螺罗盘领域的权威人士，在1926年他还对安休兹的一项专利后续工作作出了巨大的贡献。由此，他本人也获得了每年约几百美元的专利使用费，直到1938年特许营销商荷兰公司Giro破产清算为止。[13]
1700966350
1700966351
1700966352
1700966353
1700966354
图2.6 范登博思的陀螺罗盘专利（1885年）。基于H.安休兹的设计，埃尔默·斯佩里改进并制作了陀螺罗盘。由此安休兹控告斯佩里侵权，法院将爱因斯坦传唤为专家证人。斯佩里辩护称，在先前范登博斯和巴伦德·扬瑟（Barend Janse）已申请的专利基础上，安休兹并未做出实质性改进。爱因斯坦指出，在范登博斯专利中，轴HH上的飞轮L仅能在平面上旋转，而无法像真正的陀螺罗盘一样在三维方向产生旋转。因此，随着波浪的摇晃，飞轮会出现较强的摆动。最终斯佩里在案件中败诉。来源：van den Bos and Janse，Patentschrift 34513.
1700966355
1700966356
1700966357
1700966358
1700966359
图2.7 早期的安休兹陀螺罗盘图片（拍摄时间为1910年前后）。在早期的安休兹陀螺罗盘中有一个水银槽。前两张图片从两个不同角度显示了罗盘拆解后的效果。图片中由左至右分别为：①带有环形常平架的水银盘；②浮置装置，其中包括外壳内的陀螺、浮子和罗盘刻度盘三小部分（浮子是有光泽的钢制环状物，罗盘被组装后，中空的浮子位于水银盘中）；③不带边框的陀螺；④中部有柄的顶盖，通过它将力传递至陀螺马达。最后一张图片为罗盘组装后的效果，阐释了子午线周围的震荡是如何因空气喷嘴而衰减的。图中o表示水银盘，p为陀螺外壳，s和e为陀螺轴承的润滑油杯，k为外盖。当外壳p偏离了水平面后，阻尼系统产生作用，进而使摆d上的金属片u相对的出口管a和管b的位置发生改变。管口a和b间的差动产生了环绕垂直方向的转矩，进而在陀螺进动相反的方向上产生了运动。（爱因斯坦后来为一项安休兹的专利做出了贡献）。来源：Anschütz&Co.，The Gyro Compass（1910），28 and 33.
1700966360
1700966361
1914年4月，爱因斯坦来到位于柏林的德国科学院赴任院士一职，之后很快就收到了安休兹案件的相关委任。在对这一专利进行评审的过程中，他见证了一个生动鲜明的过程：地球如何在圆形轨迹内向陀螺仪施力，进而使陀螺仪中轴与地轴平行。