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[4] Schuster,“Critical Examination,”Proc.Phys.Soc.London 24(1911-12):121-122.
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[5] S.J.Barnett,“Rotation,”Phys.Rev.6(1915):269.
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[6] S.J.Barnett,“Rotation,”Phys.Rev.6(1915):172 and 270.
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[7] Cf.the introductory sentences to S.J.Barnett,“Iron,”Phys.Rev.10(1917):7-21.
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[8] S.J.Barnett,“Iron,”Phys.Rev.10(1917):8.
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[9] S.J.Barnett,“Rotation,”Phys.Rev.6(1915):255.
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[10] S.J.Barnett,“Iron,”Phys.Rev.10(1917):21.
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实验是如何终结的? 预期落空
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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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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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图2.13 1918年斯图尔特的实验装置。A为两个补偿线圈,R和S为悬挂机制,B为样本,两个M处是确定扭转角的光学系统。斯图尔特对爱因斯坦、德哈斯和理查森研究的重大改进在于他仅仅对样本进行了消磁,而非磁化的逆转。消磁需要的磁场相对要小得多,干扰效应也较小。来源:Stewart,“Momentum,”Phys.Rev.11(1918):102.
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在系统性误差的消除上,斯图尔特还引入了三项基础性改进。首先,他设计了由六个矩形线圈组成的系统,线圈被分别安置在以悬空样本为中心的立方体的六个面上,成为一个可精密控制的电磁体。相对的两个线圈由导线串联为一组。由此,根据垂直和水平方向上线圈转动的比率,地球磁场可以大体上得以消除,然后通过调节线圈电流进行更精确的消除。其次,斯图尔特使用的导线样本较爱因斯坦和德哈斯使用的更为狭长。这就最大程度地减少了样本极点对样本其他部分产生作用时自发产生的去磁量。最后,斯图尔特巧妙地运用了两个测试线圈,以消除少量的永磁化和地球、螺线管磁场感应引发的铁棒横向磁化(即上文中爱因斯坦与德哈斯的第二种实验背景)。
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通过对测试线圈的恰当排列,斯图尔特得以发现了样本的磁矩,并以较小的增量对样本进行消磁,直到磁化作用自动逆转,进而将磁矩消除。由此,他可以调节带有已完全消磁的测试棒的装置,测算样本自由摆动的周期,确保在此过程中不受地球磁场影响。爱因斯坦和德哈斯使用的样本并未进行完全消磁,因此他们没有相同的检测过程。斯图尔特使用的铁棒在重新磁化时,同未磁化时的摆动周期不同,这是由于它现在可以同地球磁场产生相互作用。斯图尔特对补偿线圈进行了校正,直到恢复自由摆动周期为止。他宣称,恢复的时间点即是地球磁场得到中和的时候。与此相似的是,斯图尔特还将样本磁化,调节了铁棒与螺线管之间的角度,直到铁棒可以像无外加场时一样产生摆动为止,由此他消除了螺线管的横向场。
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在消除了干扰因素之后,斯图尔特通过实验确定了可以有效使铁棒消磁的,通过螺线管的最小电流,并使用这一电流进行了测算。较爱因斯坦和德哈斯面对的情况而言,这些小电流造成各种干扰的能力明显要更低。使用了九种不同导线进行一组实验后(不包含实验导线超过特定粗细程度的实验组),斯图尔特得到的平均结果是g=2.0±0.2。[2]对斯图尔特实验的精度检验是:由下行磁化造成去磁时,观察到的光束位移与初始磁化方向向上时的位移方向相反但距离相等。
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斯图尔特接受了g值约为2这一结果,并推测以下两种可能性中必定有一种是正确的:一是仅负电子会旋转,但它们不会对中观物质产生充分影响(滑动假设);二是正电荷和负电荷均旋转,且方向相反。最后,鉴于自己和巴奈特研究结果间(斯图尔特的结果早于巴奈特“改良过的”g值1)不太可能出现这样的偶然巧合,斯图尔特排除了滑动假设。因此,斯图尔特推断,正电荷肯定也是旋转的。由测量到的旋磁比和正电子质量出发(斯图尔特认为它是氢原子的原子核),他还推断“旋转的、带正电的原子核的角速度与电子内环的角速度大致相同(但符号相反)”。[3]斯图尔特对原子模型的开明态度与他的英国指导教师理查森的风格十分一致,理查森在其1908年的论文中就曾明确表示了对带有不同电荷和旋转、自转速度的粒子的认可。
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与此同时,在欧洲的苏黎世联邦理工学院,埃米尔·贝克(Emil Beck)正着手以更高的精确度重复爱因斯坦的实验。帕尔贴效应(Peltier effect)是指当电流流过两个导体的接点时,会产生吸热或放热效应。贝克发明了测量该效应的精密方法,并由此成名。[4]贝克与斯图尔特的不同之处在于,他沿袭了爱因斯坦和德哈斯的谐振法,通过振荡磁场逆转了铁棒的磁化作用。贝克对爱因斯坦的绕轨电子理论和自己的测量值均具有充分的信心,他这样写道:“在笔者看来,这一方法可以准确地确定e/m这一重要分量。”很显然,贝克同爱因斯坦和德哈斯相同却与斯图尔特不同,贝克所能接受的理论中的g值只有1这一个选择。[5]
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对爱因斯坦和德哈斯实验方法的三项改进使得贝克具有了这样的信心。首先也是最重要的一点是对两人所使用的操控较为困难的频率测量系统加以改换。贝克并未使用谐振频率计进行部分测算,也未通过改变和测量发电机的驱动电流进而在点之间进行插值,而是发明了一种简单的仪器,可以对微小的频率差进行精确测量。为此,他利用了爱因斯坦实验中的一项干扰效应:磁化棒与交变磁场水平分量间强效的直接耦合导致的扭转振荡。在贝克的频率测量仪器中,在悬空永磁体上缠绕了平行线圈,同主螺线管之间进行串联。悬挂永磁体的纤维与旋磁实验中悬挂铁棒所用的细线具有相同的扭转常数。实验线圈产生了强烈的水平振荡场,使永磁体产生振荡。因此,在任何给定的频率条件下,贝克均可以通过光点的最大偏移,估量出如何加长或缩短纤维以获得谐振效果。他对频率较为了解,这使得确定的阻尼常数更为精确,进而使旋磁比也更为精确。
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贝克的第二项创新是对感光片的使用,通过缓慢移动感光片,记录下了试验样本上安装的小镜子所反射的光束的偏移。这使得他可以对阻尼常数进行附加和直接测量。该常数的确定是通过将铁棒设置为自由振荡状态,并由冲印出的感光片读出偏移的衰变振幅。
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最后,贝克对螺线管场、惯性矩和铁棒磁化强度的测定进行了大幅度的改进,这也是g值计算的一部分。为了计算出螺线管中的场,他使用了一台由金属线悬挂起来的镜式电流计。(爱因斯坦和德哈斯仅仅计算了这一数量。)在对铁棒惯性矩的计算和测量中,贝克在两个值间得到了更高的契合度。最后,通过将线圈缠绕在铁棒上,并连接在已校准的电流计上,他又测量了铁棒的饱和磁化量。当磁场突然产生时,铁棒被磁化,进而造成磁场的变化。鉴于线圈中的磁场已经得到了确定,可以通过仪表偏转了解铁棒的磁化作用。为了对铁棒进行测量,贝克进行阻尼常数谐振测量和感光测量并取平均值后,得到的旋磁比值为g=1.9,与爱因斯坦和德哈斯的误差线相距八个标准差。这一差别使得贝克对“造成误差的所有原因”进行核对,对于他对爱因斯坦和德哈斯的原始实验过程所做的变更也进行了尤为审慎的检查。[6]
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就在贝克准备对研究成果进行发表时,爱因斯坦来到瑞士拜访了他。亲眼所见的一切给爱因斯坦留下了深刻的印象,他告诉德哈斯,“苏黎世有一位十分优秀的实验家(贝克先生),他重复了我们对铁磁体转矩的测量,得出的效应值仅有理论预期的一半(g因子值的2倍)”。[7]关于宣布新的m/e值,贝克表现得较为犹豫,他做出了这些推断:①存在一种新型电子;②原子核或正粒子环绕运动的方向与电子相反;或③情况较先前猜想的更为复杂。毋庸置疑的是,推断③较为稳妥地涵盖了所有的可能。
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不久之后,工作于瑞典乌普萨拉大学的古斯塔夫·阿维德森(Gustaf Arvidsson)分别证实了贝克和斯图尔特的研究结果。[8]阿维德森同贝克一样,将他的测量值用于m/e值的确定,并也沿袭了爱因斯坦和德哈斯的谐振法,将铁棒进行逆磁化。鉴于当时阿维德森对贝克和斯图尔特的研究结果并无了解,他对自己与爱因斯坦在研究结果间的不一致性感到十分担忧。阿维德森展示了自己的数据,g值平均为2.12,而后并未明确表态:“在我看来,在宣布精确结果之前,必须先对现象有一个准确的了解,包括对振荡场中磁化作用的统计分析。”
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