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这些问题足够引人注目,以至于可以使爱因斯坦从对广义相对论的绝望挣扎中短暂地脱离出来。其中关键正在于那些贯穿了他的研究事业的基础性问题:安培假说将电和磁统一起来,而洛伦兹的电子理论对电磁场进行了绝佳简化,又对光谱线加以解读。在这些基础原则之上,又添加了沿着轨道绕行的电子和玻尔基础假说之间的可能联接,以及对零点能量的阐释。在量子论和统一原则仍然具有争论的情况下,爱因斯坦必定曾认为,上帝不太可能如此充满恶意——赋予g以1之外的任何值。
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[1] Einstein and de Haas,“Experimenteller Nachweis,”Verh.d.Deutsch.Phys.Ges.17(1915):153.
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[2] Klein,Ehrenfest(1970),esp.264ff.;Weill-Brushwicg,Dictionary of Scientific Biography,s.v.“Langevin”;Kuhn,Black-Body(1978),210-220 and 235-251;Pais,“Einstein and Quantum Theory,”Rev.Mod.Phys.51(1979):863-914,esp.878-883.
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[3] 参见Cohen-TannouJji,Diu,and Laloë,Quantum Mechanics(1977),484-487.
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[4] Cf.Kuhn,Black-Body(1978),236-254,319-320,and 340-352.
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[5] Einstein and Stern,“Agitation,”Ann.Phys.40(1913):551-560.
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[6] Einstein and Stern,“Agitation,”Ann.Phys,40(1913):560.
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[7] Einstein and Stern,“Agitation,”Ann.Phys.40(1913).
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[8] Klein,Ehrenfest(1970),256ff.
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[9] Einstein to Besso,12 February 1915.in Einstein-Besso(1972),57-58.“在电子绕轨运动中,我们可以形成一种可接近绝对零度的分子运动。”参见Einstein,“Nachweis.”Naturwiss.3(1915):237-238.
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[10] Einstein,“Nachweis,”Naturwiss.3(1915):237.
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[11] Hevesy to Rutherford,14 October 1913,in Klein,Ehrenfest(1970),278.
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[12] Bohr,“Structure of Atom,”Philos.Mag.30(1915):on 397.
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[13] Holton,Thematic Origins(1973),esp.362-367;Klein,“Wave-particle,”Natural Philosopher 3(1964):7.关于爱因斯坦的早期作品参见Miller,Einstein’s Special Theory(1981).
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[14] Einstein,“Entwicklung,”Physikalische Zeitschrift 10(1909):817-826.
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[15] Holton,Thematic Origins(1973),364.
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[16] Einstein and de Haas,“Experimenteller Nachweis,”Verh.d.Deutsch.Phys.Ges.17(1915):152.
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[17] Einstein,“Lorentz,”in Lorentz(1957),6.
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实验是如何终结的? 被遗忘的地磁学的影响
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另一条途径也可以通往旋磁实验,它在最开始同安培假说、洛伦兹电子理论或量子理论并无关联,而是由自然哲学最古老的谜题之一——地磁学开始的。虽然地磁与旋磁效应间的关联理论被物理学所淘汰,但地磁学仍然是众多理论和实验研究的激励因素。
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1890年,在英国进步科学协会所做的旋转陀螺主题演讲中,约翰·佩里对旋转与磁化作用之间的关联进行了推测。如同许多同时代的英国人一样,佩里发现生动形象的机械模型对于了解电和磁的性质而言至关重要。因此,在试图分析磁化铁时,他将该物质描摹为旋转分子的排列组合,而非“每个巢室中都有一个陀螺体的蜂窝状物质”。磁化的物质可能仅仅是物质的一种状态,在该状态下物质中所有的陀螺体均被导向。这对实验起到了启发作用。若赋予未磁化的铁块以角加速度,则组成铁块的微小旋转分子应该会具有转矩,进而出现为铁块导向的趋势。由此,旋转产生了磁性。虽然这一尝试并未能成功地产生磁性,但佩里将自己的失败归因于“(他)使用的旋转速度相对较慢,而且(他使用的)磁力计精密性较差”。[1]
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佩里的研究工作并未能证明旋转杆与磁性之间的联系,证明了这一联系的是一位勤奋努力而又常常脾气急躁的美国物理学家塞缪尔·J·巴奈特。巴奈特出生于堪萨斯州,曾就读于恩波利亚学院和芝加哥大学,1894年在丹佛大学获得了文学学士学位。后来,这位生活流动性很强的物理学家又在弗吉尼亚大学进行天文学研究生课程的学习,而后又去往康奈尔大学学习。1898年,他在康奈尔大学获得了物理学博士学位。巴奈特由讲师升为教授,继续着在大学间的迁移:在1905年至1911年间,他离开科罗拉多学院,在斯坦福大学做短暂停留后又来到了杜兰大学。在杜兰大学,他对地磁的起源进行了思考和猜测。同佩里一样,巴奈特也提出了旋转与磁性之间具有关联,他将地球磁场和旋转轴之间同步的定向视为他的指南。他假设磁体是由定向原子或分子系统组成,系统具有各自的磁矩。若铁块中的原子系统中,负电子环绕着带正电的中心旋转,则当铁块具有角速度时将产生磁场。如果这一效应较为显著,就将可以解释地球磁极和地极间的一致性:任何给予地球角速度的机制也造就了地球的磁场。
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巴奈特进行了他的首次测量:使钢棒旋转,速度由零迅速增加至每秒九十转。磁场的突然变化可以产生线圈电流。因此,他将冲击电流计选为检测器。该仪器包含了一个固定磁体和悬空线圈,配置具有条理性,当电流流经线圈时,磁体变为电磁体,而后因较大磁体的作用被推向一边。通过这一仪器,巴奈特测算出旋转钢棒产生磁场的变化为1/1500高斯,实验迹象似乎也揭示了绕轨负电子的存在。巴奈特同理查森(以及后来的爱因斯坦和德哈斯)不同,他对自己进行的安培假说、洛伦兹电子理论和零点能量理论相关实验的结果并无特别的关心。相反,巴奈特想要了解的是地磁学,即便“经过实证后,这一效应可以对地球磁场做出些许的解释,但很明显这样的解释是微乎其微的。”[2]巴奈特的兴趣主要集中在地球旋转引起的磁场上,因此他对绕轨电子集合产生的预期磁场并未进行量化的理论计算。考虑到巴奈特所处的时代,为他的研究结果赋予g因子值并不合适。然而,他在1909年记录下的磁场是为了之后进行讨论,磁场的g值为11。
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