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所有的测试棒均给出了g值2,而非1或其他值。由此再次表明了正电的效应,或者表明了效应中仅仅涉及到负电,但是对于引发磁性的运动而言,m/e的值较已知实验中确定的值更小。[14]
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那年晚些时候,巴奈特又重复表达了这些主张。[15]
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1922年,巴奈特准备将新研究的相关文章投稿给《美国国家研究委员会会刊》(Bulletin of the National Research Council),在文章中他着重强调了1915年获得的研究结论(g=2.3和2.0)。在修正主义史的另一方面,巴奈特1917年的研究结果很快就消失了,“1917年我们使用磁力计完成了对钢、钴和镍的研究,和以前一样获得的g值为负,其平均值处于之前获得的钢的g值与该值的二倍之间”。[16]简而言之,g值在1和2之间。
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为了解释2这一新的(毋宁说是旧的)g值结果,巴奈特搁置了爱因斯坦的绕轨电子理论,而援引了沃尔德马尔·福格特(Woldemar Voigt)和马克斯·亚伯拉罕(Max Abraham)的理论。亚伯拉罕认为,若使电子携带的电荷均匀分布与球体表面上,而后仅从电动力学角度计算质量,则L/M这一比值与直径相当于g=2条件下旋转运动中的m/e相等。对于体积中分布着电荷的自旋电子而言,g=5/14。根据这些启发性的数据,巴奈特做出了这样的推论:①正电子或“磁子”处在旋转状态中;②亚伯拉罕提出的两种旋转电子中的一种是这一效应的原因;或③元凶是一种与绕轨电子不同的新型磁子。虽然巴奈特的报告中并无自己的研究结论,但他完全确信自己最初的(与斯图尔特、阿维德森和贝克一致的)研究结果是正确的,而1917年的研究结果则相反。
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1918年巴奈特开始工作于卡内基研究所地磁学研究室,1922年起他与研究室负责人路易斯·鲍尔(Louis Bauer)陷入了不和。其中的一个原因在于,巴奈特全心投入于对自己之前实验的细微改进,这触怒了鲍尔。鲍尔向研究所负责人约翰·C.梅里安姆(John C.Merriam)报告称,在将近一年半的时间里,“巴奈特一直对尽早完成实验抱有希望”,但是“很明显,他的心绪和身体状况不佳,以至于单凭自己……无法确定是否应该结束实验,并对已获得的结果感到满意”。[17]与此同时,巴奈特的实验室助手也抱怨说,巴奈特仅仅将机械操作性和日常性的事务交予他处理,或者“在实验进行中,不让他参与任何观察或归纳处理的工作”。[18]仪器制造者也开始因为难以满足巴奈特改进装置的要求而感到绝望。直到1922年11月,仪器制造者将七分之一的时间都用在了巴奈特的实验上。最终,实验室副主管约翰·亚当·弗莱明(John Adam Fleming)写信给鲍尔,建议仪器制造商不再支持巴奈特的研究。
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在我看来,在当下使用的装置中,巴奈特博士试图攻克的那些机械困难是由根本的机械缺陷引起的……即便对它们进行暂时改进……调节的效果很可能也不是永久性的,在扩展型、具有可靠性的系列观察中可能也是无法保持长久的。[19]
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1924年,巴奈特离开了卡内基的实验室,在一定程度上也是这种种压力的结果。他来到了加州理工学院,使用之前旧的装置仪器继续进行研究(见图2.14)。当年5月,巴奈特和他的夫人莱利娅·杰弗逊·哈维·巴奈特(Lelia Jefferson Harvie Barnett)通过对实验误差的详尽探讨,完成了对巴奈特效应的大量研究。从研究文章中的部分标题可以看到他们对系统误差的谨慎态度:
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图2.14 20世纪20年代早期巴奈特的装置。巴奈特使用并改进了这一装置,用于测试旋转引起的磁力效应,由此,他开始了在华盛顿卡内基研究所的工作,后来在1923至1925年间他又在加州理工学院继续进行研究。来源:Barnett and Barnett,“New Researches,”Proc.Am.Acad.Arts Sci.60(1925):148.
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39. 磁力较低磁体的涡电流效应
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40. 气流对底座板的影响
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43. 磁力计热效应的消除
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47. 轴颈摩擦热效应引起的磁化误差
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51. 转子轴向位移的误差
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53. 汤姆逊推斥效应的误差
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54. 机械干扰的误差
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55. 顺时针和逆时针速度不等引起的误差
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巴奈特夫妇不愿再次被错误的结果蒙骗。在进行了159组观察后,他们给出了最准确的g值1.89,精确到2%。[20]
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获得这些精确数据后,巴奈特摒弃了亚伯拉罕电子模型观点,转向了一个大相径庭的,后来引起激烈辩论的物理学领域。1924年末,巴奈特在信件中称,理论阐释“并不清晰,无法(对旋磁比)进行肯定的预测”,但“毋庸置疑的是”它们同反常塞曼效应是“紧密相关的”。在20世纪20年代初,阿尔弗雷德·兰德(Alfred Landé)在他的理论论文中曾将这一效应同旋磁现象联系起来。[21]巴奈特在发表时覆盖的范围更加广阔:
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毋庸置疑,我们发现的现象与塞曼效应具有密切的联系,我们认为在旋转引起的转矩作用下,磁子可能在进行等速进动……索末菲和德拜通过空间量子化观点(在磁学领域内,现在由泡利、索末菲、爱泼斯坦、盖拉赫及斯特恩-盖拉赫的研究加以支持)对反常塞曼效应进行了部分解释,正如兰德所说,这一效应很可能同我们发现的反常现象具有关联。索末菲和兰德试图通过一种方法来解释这一反常情况,该方法似乎是将我们研究的s态原子等同于磁子,并将m/e所得的g值2归因于此。该g值与我们的实验给出的g值大致相等。[22]
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巴奈特再次对其实验的理论分析进行了更改。此时,巴奈特认为他的效应不仅与爱因斯坦-德哈斯效应一致,也与多种光谱学效应和近期发现的空间量子化现象具有一致性。空间量子化理论认为,磁场中原子的磁矩在空间中的可能方向貌似是确定的。不久之后,塞缪尔·古德施密特(Samuel Goudsmit)和乔治·乌伦贝克(George Uhlenbeck)将两种效应的来源解释为完全非定理性概念——电子自旋。
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巴奈特轻易地将其实验混同于新型理论系统,这与此原则是相互抵触的:理论的改变会从根本上改变实验实践。实际上,1925年合适的量子模型相关理论经历了剧变时,g值的量化实验测定也进入了精密改进的时期。英国的两位物理学家A.P.恰托克(Chattock)和L.F.贝茨对斯图尔特的实验进行了改进,获得了1.97的g值,该值被W.沙克史密斯(Sucksmith)和贝茨改进为1.99±0.024。[23]在1931年,巴奈特也通过研究爱因斯坦-德哈斯效应获得了g值1.929±0.006。[24]之后又相继进行了旋磁实验的其他变体实验,尤其针对顺磁物质进行,但其中最为精确的应该还属就职于通用汽车公司研究实验室的G.G.斯科特(Scott)的实验(见扉页说明)。斯科特宣称的最精确g值为1.919±0.002。[25]当时人们已经了解到,自旋轨道和绕轨的概念深刻依赖于特定物质的性质,因此由复合原子中测出的g因子对物理学基础重要性的表现作用是微乎其微的。在封闭状态下(与原子核无关)测出的电子和μ介子的g因子值是整个科学领域中著名的数值之一,代表了量子场论的一个关键性试验。
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[1] Stewart,“Momentum,”Phys.Rev.11(1918):100-120.
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[2] 斯图尔特独自发现铁和镍的旋磁比。镍的精确度较低(g=2.1±0.5),斯图尔特认为原因在于镍的磁力相对小,抗磁力较强,导致了干扰程度较大。参见Stewoort,“Momentum,”Phys.Rev.11(1918):116.
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