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实验是如何终结的？ [:1700965596]
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实验是如何终结的？ 电子
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两种不同的实验途径都导致了电子理论的产生，其中一种是约瑟夫·约翰·汤姆森（J.J.Thomson）的阴极射线实验。同赫兹的看法相反，汤姆森说明，射线通过空间气压被减小时，阴极射线可能因电场产生偏斜。因此，一位德国科学家的论证就被推翻了。汤姆森辩称，组成射线的粒子十分微小，以至于含有较大气体原子的金属薄板无法阻挡它的穿过。在1897至1900年间，即便是意见相反的研究群体也开始逐渐接受汤姆森的观点，即细小带电微粒是阴极射线的组成成分。
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在麦克斯韦之后，其他一些科学家继续对电流和动量之间的关系进行了探索，包括奥利弗·亥维塞（Oliver Heaviside）、汤姆森、约瑟夫·拉莫尔（Larmor）和J·H·坡印廷（J.H.Poynting）等。至少在1897年阴极射线电子公布之前，他们都未曾想到，电流动量是可测量的带电物体转移造成的。相反，他们将能量和动量的产生归因于电流产生的电场和磁场。归根结底，麦克斯韦本人对电动力学最深远的贡献就在于提出了位移电流——一种可以在电容器板片间传递，但又不会造成电荷物理转移的电流这一概念。杰德·布赫瓦尔德（Jed Buchwald）曾表示了反对，称麦克斯韦观察法从整体而言，就是为了消除微观物理领域的所有讨论。这一方法的追随者们的目标是通过场变量的连续值来描述世界，电子可测量性观点为他们所厌弃。在他们的框架中，麦克斯韦惯性电流实验一类的实验貌似是偏离主题的。[1]
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亨得利·安东·洛伦兹（Hendrik Antoon Lorentz）的电子理论摒弃了麦克斯韦传统方法，他假设一只手中是带电的可测算物质，另一只手中是以太。通过将两只手分离，使带电电子受到与未带电物质相同的力和电场、磁场的作用。洛伦兹所做的这一电荷——以太的区分取得的推论结果是：运动的电子中包含着麦克斯韦一直想要检测的那种物质流。
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英国物理学家欧文·W.理查森（Owen W.Richardson）的整个科学生涯都集中在了电子的相关问题上。他的科学工作始于1901年，是原子学说中统计方法的模范样本，研究中运用了均值实验装置。[2]在汤姆森的指导下，理查森了解到了许多物理现象，包括带电线路发散出的物质电子等。在因袭这一传统的情况下，他进行了一系列的改良实验。实验中，他对铂进行加热，然后通过旁边的试探电极测量产生的电流。根据电流强度（发射出的电子数）可以绘制出铂的温度函数曲线。在研究地点由剑桥大学转移至普林斯顿大学后，这位英国物理学家改进了他的研究。他在接收线上加上了负电荷，所以只有具有一定速度的电子才能穿透电屏障。通过改变温度和负电荷强度，他发现电子的速度分布同麦克斯韦猜想的带电线分布情况完全相同。理查森的这一简单实验发表于1908年，是首次对气体物质粒子麦克斯韦-玻尔兹曼分布情况的直接测量。[3]
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在普林斯顿大学进行研究期间，理查森的工作手册中记录了他对物质电子探索方法的广泛思考，其中包括发现宏观物体电子带电率的化学、磁力学和光谱学方法，以及检测正负电荷万有引力的方法等。[4]1907年，基于电流的粒子性本质，理查森计划对安培假说进行重新实验，他再次选择了宏观方法和平均水准的实验装置。实验方法如下：环形轨道中的电子的角动量L=r（mur）=2ma，其中m为电子质量，u为角速度，r为轨道半径，a为单位时间内扫过的面积。随之产生的磁矩M=ea，其中e为电子电荷。因此，旋磁比K（角动量与磁矩的比）与角速度和轨道半径无关：
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理查森的算式可以简单地运用于任意封闭轨道的计算。假设电子和正粒子同时在轨道中，且掠面速度不同，然后他对K值进行了更具普遍性的计算。[5]
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对于所有的轨道而言，K是一个常量。这启发理查森进行了一项简单的实验：将一根铁棒悬空，突然在铁棒上加上磁化强度M的磁场，会得到相应的角动量变化，值为（2m/e）M。同麦克斯韦一样，理查森也未能获得预期的旋转效果，他将实验的失败归因于某种未加明确的“干扰效应”。虽然理查森竭尽全力仍未能获得有效结果，但是1914年他对物质电子重拾信心，相信自己的实验最终会获得积极的结果。[6]
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图2.3是这一效应的机械模拟，图中更为清晰地展示了实验的状况。假设两个相同的陀螺仪旋转方向相反且角速度相同，将它们背对背置于横杆的两端，此时整个装置系统的总角动量为零。横杆正中置于支点上，并且可以以支点为中心旋转。通过旋转臂内部作用将两个陀螺仪立起至竖直方向转动，总角动量将不再是零而变成了2L。为了补偿角动量的变化、保持平衡，整个装置将开始旋转。理查森希望能为这种外层绕轨电子组成的、造成了磁体宏观旋转的微观陀螺仪定向，但是他并没有观察到预期的实验现象。[7]
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图2.3 理查森或德哈斯效应的机械模拟。若将两个旋转方向相反的陀螺仪举起并置于横杆两端，且旋转轴线（旋转方向）互相平行，整个装置将开始旋转。理查森和爱因斯坦的假设类似，双方都认为永磁体是由许多基本磁体构成的。这些磁体环绕着惯性电子旋转，如同微小的陀螺仪。当磁场为这些微小磁体进行定向时，它们的角动量也将被定向，进而使得整个装置出现旋转。
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[1] 参见Buchwald，Matter，Ph.D.thesis.Harvard（1974），他这篇思路清晰的综合性论文是关于麦克斯韦学说，参见From Maswell to Microphysics（1985），esp.23 and 38ff.
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[2] 斯图埃沃适当地捕捉了理查森在1910年前后提出的观点：“理查森本可以采用热力学方法，直接避免对微观世界的假定。”因此宏观仪器非常适用于对微观物理学实体进行统计学推断.参见Stuewer，Compton Effect（1975），61。
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[3] Richardson and Brown，“Kinetic Energy，”Philos.Mag.16（1908）：353-376.
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[4] Richardson，“Projected Researches，”n.d.，Richardson Papers，microfilm，reel 18，ms.W-0624.
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[5] Richardson，“Mechanical Effect，”Phys.Rev.26（1908）：248-253.
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[6] Richardson，Electron Theory（1914），397.
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[7] Richardson，“Mechanical Effect，”Phys.Rev.26（1908）：253.
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实验是如何终结的？ [:1700965597]
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实验是如何终结的？ 爱因斯坦的实验
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爱因斯坦对安培假说具有的实验兴趣至少可以追溯至1905至1909年间。那时，他常常同汉斯·费吕克格尔（Hans Flükiger）和汉斯·罗滕布勒（Hans Rothenbüler）这两位对实验物理学抱有兴趣的年轻人见面。在一次偶然的机会中，他们在瑞士伯尔尼城市（Städtische）中学的物理室进行了实验。据一位历史学家说，他们的实验是为了检测安培假说。[1]
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无论爱因斯坦之前对于安培假说有多么大的兴趣，后来的爱因斯坦-德哈斯实验都是他的专利工作成果。自1902年6月起，他开始在伯尔尼的瑞士联邦专利局中工作，职位是三级技术员，四年后晋升为二级技术员。在专利局局长弗里德里希·哈勒（Friedrich Haller）的眼中，这位年轻的物理学家是“局里最受人尊敬的技术专家”之一。[2]从爱因斯坦后来所作的评论来看，他自己对这份专利方面的工作是十分热爱的。在一生之中，他一直保持着对机械和专利的兴趣。比如，他与哈比希特（Habicht）兄弟一起设计了灵敏度较高的电气测量仪，又与里奥·西拉德（Leo Szilard）共同研发了冷却技术并申请了专利。[3]最为重要的是，他一边继续着专利工作，一边开始投入到了实验物理学的研究中：“通过准备好的旋磁罗盘相关技术报告，我被引领到了对顺磁原子本质的论证中。”[4]