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《实验是如何终结的?》被遗忘的地磁学的影响

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另一条途径也可以通往旋磁实验,它在最开始同安培假说、洛伦兹电子理论或量子理论并无关联,而是由自然哲学最古老的谜题之一——地磁学开始的。虽然地磁与旋磁效应间的关联理论被物理学所淘汰,但地磁学仍然是众多理论和实验研究的激励因素。

1890年,在英国进步科学协会所做的旋转陀螺主题演讲中,约翰·佩里对旋转与磁化作用之间的关联进行了推测。如同许多同时代的英国人一样,佩里发现生动形象的机械模型对于了解电和磁的性质而言至关重要。因此,在试图分析磁化铁时,他将该物质描摹为旋转分子的排列组合,而非“每个巢室中都有一个陀螺体的蜂窝状物质”。磁化的物质可能仅仅是物质的一种状态,在该状态下物质中所有的陀螺体均被导向。这对实验起到了启发作用。若赋予未磁化的铁块以角加速度,则组成铁块的微小旋转分子应该会具有转矩,进而出现为铁块导向的趋势。由此,旋转产生了磁性。虽然这一尝试并未能成功地产生磁性,但佩里将自己的失败归因于“(他)使用的旋转速度相对较慢,而且(他使用的)磁力计精密性较差”。[1]

佩里的研究工作并未能证明旋转杆与磁性之间的联系,证明了这一联系的是一位勤奋努力而又常常脾气急躁的美国物理学家塞缪尔·J·巴奈特。巴奈特出生于堪萨斯州,曾就读于恩波利亚学院和芝加哥大学,1894年在丹佛大学获得了文学学士学位。后来,这位生活流动性很强的物理学家又在弗吉尼亚大学进行天文学研究生课程的学习,而后又去往康奈尔大学学习。1898年,他在康奈尔大学获得了物理学博士学位。巴奈特由讲师升为教授,继续着在大学间的迁移:在1905年至1911年间,他离开科罗拉多学院,在斯坦福大学做短暂停留后又来到了杜兰大学。在杜兰大学,他对地磁的起源进行了思考和猜测。同佩里一样,巴奈特也提出了旋转与磁性之间具有关联,他将地球磁场和旋转轴之间同步的定向视为他的指南。他假设磁体是由定向原子或分子系统组成,系统具有各自的磁矩。若铁块中的原子系统中,负电子环绕着带正电的中心旋转,则当铁块具有角速度时将产生磁场。如果这一效应较为显著,就将可以解释地球磁极和地极间的一致性:任何给予地球角速度的机制也造就了地球的磁场。

巴奈特进行了他的首次测量:使钢棒旋转,速度由零迅速增加至每秒九十转。磁场的突然变化可以产生线圈电流。因此,他将冲击电流计选为检测器。该仪器包含了一个固定磁体和悬空线圈,配置具有条理性,当电流流经线圈时,磁体变为电磁体,而后因较大磁体的作用被推向一边。通过这一仪器,巴奈特测算出旋转钢棒产生磁场的变化为1/1500高斯,实验迹象似乎也揭示了绕轨负电子的存在。巴奈特同理查森(以及后来的爱因斯坦和德哈斯)不同,他对自己进行的安培假说、洛伦兹电子理论和零点能量理论相关实验的结果并无特别的关心。相反,巴奈特想要了解的是地磁学,即便“经过实证后,这一效应可以对地球磁场做出些许的解释,但很明显这样的解释是微乎其微的。”[2]巴奈特的兴趣主要集中在地球旋转引起的磁场上,因此他对绕轨电子集合产生的预期磁场并未进行量化的理论计算。考虑到巴奈特所处的时代,为他的研究结果赋予g因子值并不合适。然而,他在1909年记录下的磁场是为了之后进行讨论,磁场的g值为11。

1912年,阿瑟·舒斯特(Arthur Schuster)在英国皇家学会所做的主席报告中对地球自转和地磁性间可能存在的关联进行了检测说明。[3]舒斯特说:“我们知道,地球像一个磁体一样,磁轴倾斜、与地轴间的角度为12°。两条轴线间的一致性仅仅是一个巧合吗?”在做出这样的反问之后,舒斯特又探讨了地磁场来源相关的各种互相矛盾的看法,表达了对“旋转导致地磁性”这一观点的拥护。首先,他否定了地心具有磁性这一说法,这是由于“即便对地心温度进行最保守的估计”,在此种条件下铁也会失去磁性。[4]但是,高压对铁的临界温度的作用仍为未知数,所以这一假说还留有可能余地,舒斯特也保留了其开放性。而后,对地球中环绕的大量电流可以导致地磁性这一观点,舒斯特又表达了不认可态度,理由是因为电流会迅速地耗散。最终,舒斯特还摒弃了这一看法:外部磁场可能在地球上产生磁矩。这是由于对地外磁场的存在与否并无明确证据。作为他的假说——旋转产生磁矩的结论性证据,舒斯特引用了地磁北极偏离于地理极这一长期性的变化情况。他又表示,若引发地球磁场的电子可以自由地向地理极旋进,那么这一现象就得到了解释。

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。

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。

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。

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]

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。

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?

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:

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]


注释

[1] Perry,Spinning Tops(1957),65.

[2] S.J.Barnett,“Magnetization,”Science 30(1909):413.

[3] Schuster,“Critical Examination,”Proc.Phys.Soc.London 24(1911-12):121-137.

[4] Schuster,“Critical Examination,”Proc.Phys.Soc.London 24(1911-12):121-122.

[5] S.J.Barnett,“Rotation,”Phys.Rev.6(1915):269.

[6] S.J.Barnett,“Rotation,”Phys.Rev.6(1915):172 and 270.

[7] Cf.the introductory sentences to S.J.Barnett,“Iron,”Phys.Rev.10(1917):7-21.

[8] S.J.Barnett,“Iron,”Phys.Rev.10(1917):8.

[9] S.J.Barnett,“Rotation,”Phys.Rev.6(1915):255.

[10] S.J.Barnett,“Iron,”Phys.Rev.10(1917):21.