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两次实验的主要装置部件小巧,可以安放在一张桌面上。1918年至1922年间,巴奈特使用的仪器和其他开销为平均每年3300美元(4100美元)。[8](本书中括号内的金额数字表示符合标准普尔指数的、1967年发行的美元标准币值;针对美元之外的货币,该数额表示首先换算为美元,而后升高为标准币值。)[9]此外,卡内基研究所的商铺工作人员及巴奈特实验室助手的同期薪酬为平均每年2310美元,共计每年6610美元(8300美元)。[10]
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爱因斯坦与德哈斯的实验以及斯图尔特、贝克和阿维德森等物理学家的相关工作均可以运用与巴奈特曾使用的同一等级的机电设备。一般而言,磁化旋转研究的花销较巴奈特的研究花费稍少一些。磁化作用引起的旋转属于大型效应,观察设备所需花费较少。查询1918年的标准商品目录后可以发现,相对较好的发电机需要200美元(250美元),电流计、电流表、电压表等分别需要50美元(60美元)左右,电磁铁也需要几美元。[11]贝克使用了照相设备,爱因斯坦和德哈斯使用了谐振器来测量频率,而贝克自己使用导线和线圈制造了谐振仪器;所有这些实验家们需要花费约2000美元(2500美元)进行旋磁实验的配备,其中人工成本甚至等同于硬件设备的花销。20世纪初期,对于前文所指的麦克斯韦一派大多数实验而言,这样的花销是相当有代表性的。比如,高性能电磁铁约需(2000美元),高压蓄电池花费在(4000至5000美元)不等,大型感应线圈需要(400美元)以上,X射线管花费(10至40美元不等),精密的光谱仪也要花费约(1500美元)。[12]
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花费相对较少的这些装置,实验者们在核查旧的实验过程时可以进行重新设计,更改单个元件,以及迅速构建心中所想的特定仪器。当仪器花费增加时,这些决定的做出将面临相当大的困难。为消除背景效应,实验者将从机械装置本身部分性地转移至数据的约简。
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[1] Kuhn,“Function,”Isis 52(1961):161-193.
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[2] Kuhn,“Caloric Theory,”Isis 49(1958):140.
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[3] Kuhn,Essential Tension(1977),200-201.
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[4] De Haas,“Le moment,”Atomes(1923),212.
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[5] 贝克的铁杆中至少有一根看上去在约为1599 cgs的单位体积下实现了饱和磁化,而爱因斯坦和德哈斯使用的样本在1260 cgs下实现了明确的饱和磁化。(阿维德森也报告了一次比爱因斯坦和德哈斯的更高程度的饱和磁化现象。)当然,也许贝克并没有使用完全相同的那一种合金,但是在通往正确方向的过程中,这个偏差至少可谓导致误差的一个重要原因。参见Beck,“Molekularströme,”Ann.Phys.60(1919):109-149.on 131.
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[6] S.J.Barnett and L.J.H.Barnett,“Improved Experiments,”Phys.Rev.20(1922):90.
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[7] 参见Palmer and Rice,Modern Physics Buildings(1961).在本世纪初,关于物理学的材料状态的最佳历史成果是收集了大量的信息。参见Forman,Heilbron,Weart,“Personnel,”Hist.Stud.Phys.Sci.5(1975):1-185;关于物理建筑物的建筑风格参见第104至114页。
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[8] Smith and Fleming,“Barnett Expenses”(1922),BP.
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[9] 兑换率非常低。一美元的购买力是标准和贫困形成的时间函数,参见Basic Statistics(1982),79;瑞士法郎和美元之间的兑换率参见World Alamanac(1964-1968).
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[10] Smith and Fleming,“Barnett Expenses”(1922),BP.此外,地磁学部门建造了一个特别的建筑,便于巴奈特和其他人员可以使用敏感的磁设备进行工作。1922年的费用为35000美元(70000美元)。
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[11] Central Scientific Co.,Laboratory Apparatus(1918),205ff.
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[12] Forman et al.,“Personnel,Funding,and Productivity,”Hist.Stud.Phys.Sci.5(1975):88-89.
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实验是如何终结的? 终结实验时的进退两难
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在我们所探讨的物理学家们心中,使用一种频率测量仪器取代另一种,或者用灵敏度更高的磁场探测器代替旧的探测器,这样的对仪器设备的改变渴望十分强烈。虽然这些替代设备带来了独立测量的希望,但对其不熟悉也会造成危险。阿维德森曾创造出了一种新的频率测量设备和一种新型精密光点偏移胶片记录设备,用以检查爱因斯坦和德哈斯效应。毋庸置疑,阿维德森的仪器灵敏度更高;总之,他获得的结果与我们现在广泛认可的数值较为接近。1917年,巴奈特也做出了一项类似的勇敢尝试,他对实验装置进行了完全重建,添加了高灵敏度的磁力计,用以代替原来不够完善的仪器。恰恰因为他对新的装置不够熟悉,一开始仪器反应的变化无常给他带来了更严重的影响,尤其是新装置带来的新型系统性误差。
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与此类似,前期预期带给实验者的仅仅是“偏见”——这样的幼稚观点是行不通的。理论——更确切地说是理论的不同层面——除了稍稍改变清晰的世界观之外,可以做的还有很多。以麦克斯韦的情况为例,恰恰因为他未进行量化预测,所以才无法了解目标效应的大小程度。很久之后,德哈斯以及德哈斯-洛伦兹说明了装置倾斜弧度仅为0.00013。若麦克斯韦当时也能了解到这一点,可能就不会将其实验作为电流无惯性性质的证据。同理,在1908年,对于预期的磁场强度数量级巴奈特并没有进行量化预测,因此他更加难以发现目标效应。
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因此,就粗略层面而言,理论的作用仅仅是指出旋转与磁化作用之间可能存在的关联。大范围的假说当然同样也可以将现象领域排除在外,如同19世纪末麦克斯韦派物理学家在描述电流时选择的是场而非粒子。在更为具体的层面上,理论设置了一个数值标准:e/m约等于L/M。完全组装之后的模型更为特别:负电子环绕着原子核旋转。除此以外,另一个理论将现象联合起来,确定了可以进行观察的领域,为结果进行定量,使得实验者确信背景效应已经得到了控制。
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为了避免可取证据受到过度制约,实验家是否可以简单地决定保留所有数据?答案当然是否定的。在完成实验之后,斯图尔特发现粗导线很有可能产生过大的去磁效应,从系统上改变他的实验结果,因此在g的平均值计算中排除了粗线的情况。同样,巴奈特也将其1914年所做的实验排除在外,这是由于在实验完成时他就发现地磁场并未得到充分的中和。爱因斯坦和德哈斯也摒弃了过小以至于无法精确观察的光点移动数据。基于理论与实验的共同作用,此类判断并非“不佳”实验的特点,而是实验事业的一部分。关于这一点已不必赘言。
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所有这些因素将实验家们置于持续的两难境地中。一方面,若没有了理论,面对物理他们将失去引导性的定性意识,对效应的大小也将无法进行量化预测。当目标被遮蔽于阴暗之中时,他们很难发现目标效应,也很难将它们从干扰因素中分离出来。从这一层面而言,理论——毋宁说是理论的多个层面——自发地向可取数据施加着必不可少的约束力。在绕轨电子假设的基础上,任何欲尝试旋磁实验的人在得到过大的效应时,都会因为其与磁化铁棒和地球磁场间的直接耦合具有一致性,而对该效应不予考虑。另一方面,考虑到量化预测情况,实验家最终不得不(至少含蓄地)宣布不存在更多的系统性误差。虽然看起来自然而然,但是这个停止的点往往是预测结果的所在。核物理学家马丁·德伊奇(Martin Deutsch)曾对这个谜题做出了这样的解释:
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因为知识偏见,我们拒绝了同预期观念难以协调的证据,因为无关宏旨的问题,又在追求仪器机巧中耗尽了日日夜夜,每位进行此类实验的实验者当然都有这样的野心:想要获得发现,想要在这样的两难境地——知识偏见和无关宏旨的问题——间安稳地破浪前行。[1]
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在本书所探讨的系列实验中,面临的两难境地一边是绕轨电子理论,另一边是铁棒与外部磁场的磁耦合、巴奈特的涡电流以及(爱因斯坦与德哈斯所使用的)柏林装置所确定的并不充分的实验参数。
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