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1700966626 1915年4月,巴奈特阅读了舒斯特的论文,更为重要的是他开始对自己的结论与由安培假说产生的、麦克斯韦和理查森试图测量的旋磁效应之间的数量关系赋予了更多的关注。巴奈特对麦克斯韦的通电环形线转矩算式进行了改写,说明了对于转速n而言,磁场H将产生于铁棒的磁极点,H/n=-7.1×10-7高斯/每秒转数。[5]在巴奈特为得到这一数值(本质上是对爱因斯坦的磁化扭转推导的逆计算)所使用的等式中,g的值被假设为1.0,这是由于该论证是建立在绕轨电子模型的基础上。
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1700966628 在新的实验中,巴奈特使用磁通计(一种类似于冲击电流计的仪器,不同之处在于悬浮线圈摆动时间较长)代替了冲击电流计,通过添加一个与旋转钢棒类似的“补偿杆”,改善了测量过程的灵敏性。在补偿杆的周围缠绕了线圈,线圈方向与测试杆周围缠绕的线圈方向相反。此时,若补偿杆处于静止状态,电路将自动补偿所有由外部场产生的磁通变化,例如发电机开始发动时产生的外部场(见图2.12)。通过几个大型线圈,巴奈特中和了地球磁场,还发现了另一处背景因素,即测试杆高速旋转时的膨胀问题。经过详尽的准备工作后,实验结果显示,H/n的值小于绕轨电子预期值的一半,相当于g因子等于2.3。
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1700966633 图2.12 1915年巴奈特补偿法示意图。巴奈特确保了电路将自动排除其中杂散磁场的影响。“补偿杆”周围环绕着线圈,线圈方向与环绕着测试杆的线圈方向相反。两个线圈被串联起来后,磁场的变化将对两个线圈造成同样的影响,在电路中不会产生净电流。
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1700966635 巴奈特获得的效果可以说是小于地球磁场的百亿分之一。这样的不一致性似乎使得所有以旋转来解释地磁的希望都破灭了。凭借着坚定的乐观主义精神,巴奈特遵循了舒斯特的看法:地球深层下的未知情况可能能够解释为何引起地球磁场的磁化作用会增强。[6]两种突出的可选说法对这一解释起到了支持作用:电子的离心位移(通过地球自转,电子可能以某种方式被移入到不同的结构中)和热离子位移(依照理查森的说法,推测是地球深层的热量可能导致电子发射)。巴奈特对两种作用均未加以详细说明。事实上,在两年后的1917年,巴奈特再次在俄亥俄州立大学发表了该主题的论文,其时他已然抛弃了对地磁的关注,虽然这曾是他最初构想的来源,但在这之后他再没有在论文中着重探讨相关的问题。毫无疑问这是受到了1915年爱因斯坦研究成果的影响。[7]
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1700966637 巴奈特的新实验中以磁力计代替了磁通计。在之前的方法中,他反复开闭发动机,通过磁通计测量此时线圈中通量的改变。鉴于小型悬吊磁体的偏转与磁场强度成正比,使用磁力计(本质上是精密的悬吊磁体)可以直接测量磁场。磁力计较之前使用的仪器灵敏度更强,但是相应地也更易受到外部干扰影响。因此,巴奈特在中和地球磁场时尤为注意,以避免转子高度和纵向运动出现变化,限定温度变化,并抑制机械振动。虽然有这些谨慎的预防措施,当读者进行回顾时,可能仍会惊讶地发现巴奈特的实验结果与当下被认可的g值2相距甚远。1917年,巴奈特将新的实验结果中的g值认作是接近1,这被当做对测量正确性的一种确认。
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1700966639 巴奈特引入了一个等式,描述了电流是完全由绕轨负电子产生(g=1)这一情况下的预期结果。他写道:“若正电也参与到了过程中(g值应该更大),则在1914年的实验中我获得的(g的)平均值为2.0;在实验误差限制范围内,发现(g值)与速度无关。”[8]现在来看这是一次非同寻常的评论。在1914年撰写并于次年发表的文章中,巴奈特仅仅对g=2.3这一结果进行了说明。他援引的数据可能仅仅是他在1914年所做实验中的数据,当时他曾经这样说过:“单位转速下(它们的)加权平均数差速挠度……等于每秒转0.057毫米。”如果我们将这一数值进行约简,则可以得到g=2.0。对未进行数据约简的原因,巴奈特做出了这样的清楚解释:“就所阐述的目前已完成的研究工作而言,我决定在一个范围内重复旋转,在该范围内地球(磁场)强度仍然可以得到更完全的消除……这一过程的有利条件在一开始就已经实现了,在1914年12月的(美国)物理学会费城会议上罗莎博士也提到了这一点。”[9]根据巴奈特在1915年的观点,2.0这一g值数据同2.3一值相比可靠性较低。1915年他引用的唯一结果是基于g值2.3。那么,在1917年要发表的文章引言中,巴奈特为什么会对明显不可靠的数据进行约简呢?
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1700966641 两种解释貌似可信:巴奈特极度希望自己的发现能获得赞扬和相信,在之后的30年间,从他发表的绝大部分文章中可以明确地发现他的这一想法。巴奈特以1914年收集的数据为证明,着重强调他的研究结果在时间上要早于爱因斯坦和德哈斯在1915年发表的结果。但这并不能解释他为何在1917年的论文引文中略去了2.3这一g值。然而,在论文的结论处他解开了这个谜团:他使用磁力计获得的新的g值范围为1.1至1.4,“(效果迹象的)差别与之前铁实验指示的方向是一致的(之前获得的g值为2.3和2.0,而非1)。”很明显,巴奈特预期的g值为1:
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1700966643 鉴于实验中包含了很大的困难,产生误差较大以至于在我看来这一不符现象并不重要。最好只是将研究视为对方程(1)(g=1.0)的一种定性和定量确认,并基于这一假设:在分子中被研究的所有物质中,仅仅电子是进行着公转式运动的。[10]
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1700966645 [1] Perry,Spinning Tops(1957),65.
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1700966647 [2] S.J.Barnett,“Magnetization,”Science 30(1909):413.
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1700966649 [3] Schuster,“Critical Examination,”Proc.Phys.Soc.London 24(1911-12):121-137.
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1700966651 [4] Schuster,“Critical Examination,”Proc.Phys.Soc.London 24(1911-12):121-122.
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1700966653 [5] S.J.Barnett,“Rotation,”Phys.Rev.6(1915):269.
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1700966655 [6] S.J.Barnett,“Rotation,”Phys.Rev.6(1915):172 and 270.
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1700966657 [7] Cf.the introductory sentences to S.J.Barnett,“Iron,”Phys.Rev.10(1917):7-21.
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1700966659 [8] S.J.Barnett,“Iron,”Phys.Rev.10(1917):8.
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1700966661 [9] S.J.Barnett,“Rotation,”Phys.Rev.6(1915):255.
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1700966663 [10] S.J.Barnett,“Iron,”Phys.Rev.10(1917):21.
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1700966668 实验是如何终结的? [:1700965600]
1700966669 实验是如何终结的? 预期落空
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1700966671 1908年,理查森对旋磁比的测量尝试失败后,普林斯顿大学实验室的其他科学家们接过了研究的火炬。最终在1915年,研究生约翰·昆西·斯图尔特(John Quincy Stewart)连同莫里斯·佩特(Maurice Pate)开始了一系列的研究工作,研究可能是受到了巴奈特完成的逆向实验的鼓舞。一个问题曾经引领着爱因斯坦和德哈斯分别对他们的原初技术进行了重构,这个问题同样也困扰着普林斯顿人:悬空铁棒一旦开始磁化,就会直接同螺线管产生相互作用,进而完全掩盖了实验的预期效应。
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1700966673 德哈斯将螺线管直接缠绕在悬空棒上,又使用短脉冲进行反磁化,由此解决了这个问题。而爱因斯坦的解决方法是通过短脉冲逆转铁棒上的剩磁。斯图尔特对爱因斯坦的想法进行了改进(见图2.13)。[1]他并未使用脉冲场逆转剩磁,而仅仅试图消除磁化作用。这一方法的优点在于,物质消磁所需的磁场较样本反方向重新磁化需要的力要小得多。通过对强磁场的避免,斯图尔特大大减少了其相关的干扰效应,产生的机械效应仅仅损失了一半(由于他将铁棒的磁化强度由M减少为0,取代了由M至-M的改变)。
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