讀古今文學網 > 實驗是如何終結的? > 愛因斯坦的實驗 >

愛因斯坦的實驗

愛因斯坦對安培假說具有的實驗興趣至少可以追溯至1905至1909年間。那時,他常常同漢斯·費呂克格爾(Hans Flukiger)和漢斯·羅滕布勒(Hans Rothenbuler)這兩位對實驗物理學抱有興趣的年輕人見面。在一次偶然的機會中,他們在瑞士伯爾尼城市(Stadtische)中學的物理室進行了實驗。據一位歷史學家說,他們的實驗是為了檢測安培假說。[1]

無論愛因斯坦之前對於安培假說有多麼大的興趣,後來的愛因斯坦-德哈斯實驗都是他的專利工作成果。自1902年6月起,他開始在伯爾尼的瑞士聯邦專利局中工作,職位是三級技術員,四年後晉陞為二級技術員。在專利局局長弗裡德裡希·哈勒(Friedrich Haller)的眼中,這位年輕的物理學家是「局裡最受人尊敬的技術專家」之一。[2]從愛因斯坦後來所作的評論來看,他自己對這份專利方面的工作是十分熱愛的。在一生之中,他一直保持著對機械和專利的興趣。比如,他與哈比希特(Habicht)兄弟一起設計了靈敏度較高的電氣測量儀,又與裡奧·西拉德(Leo Szilard)共同研發了冷卻技術並申請了專利。[3]最為重要的是,他一邊繼續著專利工作,一邊開始投入到了實驗物理學的研究中:「通過準備好的旋磁羅盤相關技術報告,我被引領到了對順磁原子本質的論證中。」[4]

在「一戰」之前,為了滿足技術和軍事上的需求,發明家和實業家們開始生產旋磁羅盤。[5]船舶的金屬材質對磁羅盤的可靠性造成了嚴重破壞。後來船舶開始在船上自行發電,來供應照明、儀表設備和電動馬達的使用,這使得情況更加困難和危險。潛艇周圍環繞著密閉的鋼製外殼,更加無法使用磁羅盤進行導航。由此,陀螺儀成為了眾望所歸的替代物。

在陀螺羅盤的開發過程中,有兩家公司獨佔鰲頭,分別由美國發明家、實業家埃爾默·A.斯佩裡(Elmer A.Sperry)和他的競爭對手H.安休茲(Hermann Hubertus Maria Anschutz-Kaempfe)博士帶領。安休茲的最初想法是欲為兩極海底探測而建設制導裝置。[6]但是,當德國海軍軍官對這一新型設備表現出了興趣時,安休茲卻改變了計劃,在海軍的協助下開始製造陀螺羅盤。它的基本原理十分簡單。在南北極點之外的緯度上,隨著地球的自轉,沿著子午線指向北極點的羅盤將偏離地球表面的切面,逐漸由該平面向東傾斜(見圖2.4),使得羅盤指向不再準確。安休茲發現,若向陀螺儀邊框施力,陀螺儀將出現進動現象(見圖2.5)。在地球自轉條件下,陀螺儀仍能指向子午線。

基於這些原理,這位德國發明家設計了首個陀螺羅盤,在海軍艦隊旗艦德意志(Deutschland)號上測試成功後,獲得了廣泛的關注。[7]斯佩裡認為這一新型技術必將迅速成為航海領域不可或缺的一部分,下決心對原始模型進行系統性的改進,進而奪取安休茲的上峰位置。在對這一發明的改進過程中,斯佩裡接受了美國海軍的資助和支持,為了使其適應不同緯度條件下船舶的行駛速度和運動情況,對陀螺羅盤進行了改進。兩家公司間的競爭最終以1914年5月基爾海軍基地舉行的選拔賽告終。[8]結果是安休茲一方取得了勝利。斯佩裡一方的代表認為德國鑒定委員會對本國人安休茲進行了偏袒,這使得斯佩裡十分憤怒。這種不好的感覺並沒有就此結束:在同一年,安休茲和一家英國公司均針對斯佩裡提起了專利侵權的訴訟。

圖2.4 陀螺指向儀。陀螺儀完全懸浮,可以向任何方向轉動,雖然地球會自轉和公轉,但陀螺儀將一直指向天球上的同一點。但是,在北極點之外的任何緯度上,隨著地球自轉,陀螺儀將偏離於地面的平行方向,不再適合用於導航。來源:Davidson,Gyroscope(1947),72.

圖2.5 陀螺羅盤。同簡單的指向儀不同,真正的陀螺羅盤受力後,陀螺儀中軸將被推向與地面平行的方向(即地球切面)。早期使用的安休茲羅盤機制簡單,通過砝碼使陀螺儀保持水平。砝碼的力使得陀螺儀向切面扭曲,並出現進動,陀螺儀軸線與地球旋轉軸平行。由於陀螺儀的中軸被固定在切面上,因此它的進動呈現與地球旋轉軸平行的趨勢,陀螺儀中軸最後會沿縱線指向真正的北極點,而非指向磁北極。來源:Davidson,Gyroscope(1947),73.

針對安休茲的訴訟,斯佩裡明確進行了抗辯,他試圖說明安休茲的公司在19世紀的觀點之上並未做出實質性的技術推進。[9]為了對這一案件和其他事項進行判決,法院傳喚了專家證人愛因斯坦。斯佩裡的團隊還主張,安休茲於1906年獲得的專利實質上是借鑒了荷蘭人馬裡諾斯·傑拉杜斯·范登博思(Marinus Geradus van den Bos)的專利。[10]1915年8月7日,愛因斯坦在證詞中對這一說法進行了否認,他表示,在范登博思的專利中,陀螺儀中軸的自由度很顯然僅有2°,因此船舶在航行時陀螺儀無法向子午線產生進動,「即便是船體輕微的晃動也會導致陀螺儀中軸的無規則晃動」[11],這一說法的信服力較高(見圖2.6和2.7)。法院最終判決安休茲一方勝訴,判決下達之後,愛因斯坦再次受邀對1918年和1923年涉及安休茲的幾樁訴訟案件進行評判。[12]愛因斯坦成為了陀螺羅盤領域的權威人士,在1926年他還對安休茲的一項專利後續工作作出了巨大的貢獻。由此,他本人也獲得了每年約幾百美元的專利使用費,直到1938年特許營銷商荷蘭公司Giro破產清算為止。[13]

圖2.6 范登博思的陀螺羅盤專利(1885年)。基於H.安休茲的設計,埃爾默·斯佩裡改進並製作了陀螺羅盤。由此安休茲控告斯佩裡侵權,法院將愛因斯坦傳喚為專家證人。斯佩裡辯護稱,在先前范登博斯和巴倫德·揚瑟(Barend Janse)已申請的專利基礎上,安休茲並未做出實質性改進。愛因斯坦指出,在范登博斯專利中,軸HH上的飛輪L僅能在平面上旋轉,而無法像真正的陀螺羅盤一樣在三維方向產生旋轉。因此,隨著波浪的搖晃,飛輪會出現較強的擺動。最終斯佩裡在案件中敗訴。來源:van den Bos and Janse,Patentschrift 34513.

圖2.7 早期的安休茲陀螺羅盤圖片(拍攝時間為1910年前後)。在早期的安休茲陀螺羅盤中有一個水銀槽。前兩張圖片從兩個不同角度顯示了羅盤拆解後的效果。圖片中由左至右分別為:1帶有環形常平架的水銀盤;2浮置裝置,其中包括外殼內的陀螺、浮子和羅盤刻度盤三小部分(浮子是有光澤的鋼製環狀物,羅盤被組裝後,中空的浮子位於水銀盤中);3不帶邊框的陀螺;4中部有柄的頂蓋,通過它將力傳遞至陀螺馬達。最後一張圖片為羅盤組裝後的效果,闡釋了子午線周圍的震盪是如何因空氣噴嘴而衰減的。圖中o表示水銀盤,p為陀螺外殼,s和e為陀螺軸承的潤滑油杯,k為外蓋。當外殼p偏離了水平面後,阻尼系統產生作用,進而使擺d上的金屬片u相對的出口管a和管b的位置發生改變。管口a和b間的差動產生了環繞垂直方向的轉矩,進而在陀螺進動相反的方向上產生了運動。(愛因斯坦後來為一項安休茲的專利做出了貢獻)。來源:Anschutz&Co.,The Gyro Compass(1910),28 and 33.

1914年4月,愛因斯坦來到位於柏林的德國科學院赴任院士一職,之後很快就收到了安休茲案件的相關委任。在對這一專利進行評審的過程中,他見證了一個生動鮮明的過程:地球如何在圓形軌跡內向陀螺儀施力,進而使陀螺儀中軸與地軸平行。

如此一來,我們可以瞭解到愛因斯坦在專利方面的考慮與他未成形的旋磁實驗想法之間的聯繫。我們可以回顧一下圖2.3中理查森實驗的原理。其中,對陀螺儀的強制性定向導致整個裝置出現了旋轉;而對陀螺羅盤而言,整個裝置的轉動固定了陀螺儀的方向。將羅盤小型化、考慮到了逆壓電效應之後,愛因斯坦應該會將關注點轉移到宏觀性旋轉上。事實上,陀螺羅盤-地球系統正是磁效應的絕佳模型,因此巴奈特後來將陀螺羅盤作為教學裝置,用於解釋旋轉運動是如何為所有的電流渦動定向、進而產生感應將鐵樣磁化的。[14]

帝國物理技術學會位於柏林夏洛滕堡區,愛因斯坦對這裡進行的實驗工作較為讚賞,進行了密切關注,與會長埃米爾·瓦爾堡(Emil Warburg)也保持了通信。[15]為了完成在柏林的實驗,他曾向學會借用過實驗設備,從學會處獲得了支持。對學會而言,愛因斯坦是天賜的人物;學會領導層正在推進學會的發展,使其更多地參與到與應用物理、標準、實驗截然不同的「純」科學中。瓦爾堡在企業中集資,以支持更多的科學研究,早期募集到的部分資金被用於支持旋磁實驗中愛因斯坦的助手德哈斯。[16]

愛因斯坦與洛倫茲私交甚篤,與萊頓的物理學派也有較深的聯繫,這在相當大的程度上決定了他對德哈斯的選擇。德哈斯是洛倫茲的女婿,也是愛因斯坦實驗的合作者。[17]1912年,德哈斯在位於萊頓的卡末林·昂尼斯實驗室完成了博士論文,在完成學生研究之後繼續進行了水、銻和其他物質的磁化率相關研究。到了1914年,德哈斯總結了這些研究的成果,得到了結論:逆磁性金屬中的分子並不具有完全的自由性。[18]因此,1914年1月他成為帝國物理技術學會的科學助理時,在他的頭腦中已經對磁學現象有了一定的認識。對於愛因斯坦的觀點——沿軌道運行的束縛電子是磁性的來源——德哈斯可能也產生了共鳴。

為了對安培假說進行定性確證,愛因斯坦和德哈斯需要做的僅僅是證明懸浮鐵棒磁化後將出現旋轉。他們未曾知曉的是,他們所用的實驗裝置原理同理查森的原理是一樣的。他們主要的和具有決定性的創新點在於:實驗使鐵棒的共振頻率磁場出現振蕩,進而放大了實驗效應。然而,像理查森一樣,愛因斯坦和德哈斯也試圖瞭解電子是否是產生安培電流的原因,因此他們也需要進行量化測量。在這一點上,愛因斯坦以他對實驗所做的理論分析為工具,達到了較理查森和麥克斯韋的不完善實驗更高的高度。

1915年2月3日,愛因斯坦和德哈斯獲得了明確的實驗結果。在寫給洛倫茲的信中,愛因斯坦說,在研究「旋磁效應」和研究之外的空閒時間裡,和「您的孩子」一起度過的時間很快樂,我們對「不久之後」的研究結果「信心滿滿」。[19]很快在幾周之後的2月19日,愛因斯坦在德國物理學會舉行的講座中首次發表了確切的研究成果。4月10日,愛因斯坦和德哈斯聯名發表了修訂後的研究成果。[20]

在兩人進行的首次實驗中,將石英纖維G(見圖2.8)的一端繫在橫桿H上,另一端繫在細鐵棒S上。將兩面小鏡子M豎直安裝在鐵棒兩側,保持平行(見圖2.9)。螺線管A和B一上一下環繞在懸空的鐵棒外側,將鏡子M的位置露出,使鏡面可以反射外源光。可調夾P用於改變石英纖維的有效長度,進而在鐵棒S出現自然扭轉振蕩時調整其固有頻率。

當螺線管A和B產生振蕩磁場時,鐵棒S開始振蕩,將光束反射至屏幕上。雖然鐵棒的振動幅度較輕,但反射到屏幕上的光已足以用於測量光帶寬度。由此計算出的最大偏移值為d。鐵棒的磁化強度M發生改變,造成轉矩的出現,d值在理論上應與此轉矩成正比,與阻尼常數P成反比,即d=(常量)kM/P。其中k仍然表示旋磁比。經過測量可以得到d的值,經過計算或測量可以得到M的值,因此只有P的值為未知。從原則上而言,通過觀察連續自由擺動的偏度可以直接確定P的值;但在實際情況下,偏度太小,無法直接通過觀察加以確定。作為替代,在磁場以選定頻率(等於或約等於共振頻率)振蕩時,愛因斯坦和德哈斯對d值進行了測量。獲得的d值與頻率相關曲線圖即為共振曲線,類似於音叉頻率與音量間的曲線圖。經過精確校準後的無阻尼音叉僅在共振頻率條件下會鳴響,並且在具有此波長的聲波條件下音量會逐漸增大。阻尼將響應傳播出去,由曲線寬度(鄰近頻率處鳴響的量)可以計算出阻尼常數。這是對這一事實情況的量化和定性解釋。

圖2.8 愛因斯坦-德哈斯實驗圖解。來源:Einstein and de Haas,「Experimenteller Nachweis,」Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft 17(1915):160.經以色列耶路撒冷希伯來大學同意進行轉載。

圖2.9 圖2.8的細節圖。安裝兩面小鏡子後的鐵棒樣本。

石英纖維扭轉時,角位移x滿足阻尼諧波振蕩器(如彈簧)的等式:

(其中I為鐵棒的慣性矩,P為阻尼,ω0為諧振角頻率)。一種特解是:

設b=B/B0,那麼,即共振偏移最大;v=2(ω-ω0),即驅動頻率ω條件下的諧振曲線寬度。在本情況下,ω約等於ω0,則:

式2.6中,對阻尼P可以進行定性闡述。對於給定的諧振曲線(見圖2.10、2.11)而言,慣性矩越大,則阻尼常數越大,以期獲得同樣的振幅偏移長度。由此,P與I成正比。如果阻尼P=0,則當諧振頻率v=0時,曲線峰值將為無限大,我們看到P必須隨著v值的增大而增大。

諧振曲線是實驗的主要成果,它的確定過程實屬不易。實驗使用的是通常被用於測量電源頻率的哈特曼-布勞恩諧振式頻率計,通過該儀器愛因斯坦等兩人僅可以測量頻率步進為每秒半周數的頻率。此頻率計是20世紀初期機電儀器中的典型。在簧片(含有鐵成分)的兩端分別有一個電磁體,當加上的電流頻率與簧片的固有頻率相同時,實驗者可以聽到簧片嗡嗡作響。[21]為了進行中頻插值,愛因斯坦不得不使用了電流計來測量發電機發出的電流。因此,電流計成為了測量簧片相關數值頻率的唯一測量儀器。[22]

圖2.10 諧振曲線。光束的最大偏移(單位:毫米)與振蕩頻率(單位:每秒振動次數)的曲線圖。愛因斯坦-德哈斯實驗的目的是測量懸浮鐵棒被磁化時產生的機械力。在諧振頻率(鐵棒被單純地移開並被釋放時具有的振蕩頻率)附近加上磁場後,實驗人員對鐵棒的最大角位移進行了測量。鐵棒的運動僅取決於作用力、鐵棒的慣性矩、石英纖維扭曲的恢復以及阻尼常數(無驅動力情況下扭曲停止速度的計量單位)。在諧振頻率之外的頻率條件下,測量鐵棒的最大振幅,由此計算出阻尼常數。由於其他的值均為已知,可以求出機械力的值。來源:Einstein and de Haas,「Experimental Proof」,Akademie van Wetenschappen,Proceedings 18(1916):708.經以色列耶路撒冷希伯來大學同意進行轉載。

圖2.11 愛因斯坦與德哈斯獲得的數據。圖中為構成諧振曲線的數值數據,由此發現了旋磁比。「縱坐標」一欄中的數據為反射的光束(單位:毫米):v和b的值在上文中已經進行過定義。右列中的數值同g因子成反比。來源:Einstein and de Haas,「Experimental Proof,」Akademie van Wetenschappen,Proceedings 18(1916):710.經以色列耶路撒冷希伯來大學同意進行轉載。

隨著頻率的變化,光束來回振蕩,經過距離鏡子145厘米遠的刻度尺,此時可憑借肉眼對偏移長度進行測量。愛因斯坦和德哈斯發現了圖2.10中所示的諧振曲線。兩人又將曲線中的數據編製成了圖2.11,導出了P的值。他們將過小以至於無法精確測算的偏移忽略不計,而後發現實驗結果(k=L/M=1.11,誤差為10%)與他們的理論預期值(L/M=2m/e=1.13×10-7g emu-1)間出現了完美的契合。

由於繞軌電子旋磁比的初始猜測為L/M=2m/e,它成為了定義g因子的標準,用算式表達即:

因此,對於繞軌負電子而言,g的值為1。對於質量均勻分佈,僅表面帶電、旋轉著的典型球體而言,g=5/3。在對電荷和質量進行恰當的分配後,這樣的旋轉球體是可以被製造出來的。

愛因斯坦的理論猜測是g因子等於1;他和德哈斯的實證結果中g為1.02,誤差為0.10。據此,兩人斷定安培假說已然得到了證實:

一致性的精確程度可能具有偶然性,我們的測定肯定具有大約10%的不確定性;然而,最初預測的繞軌電子理論結果已經在實驗中(至少近似地)得到了定量建立,這一點已經得到了證實。[23]

(若愛因斯坦和德哈斯對他們在實驗過程中捨棄的三個數據點進行了保留,那麼他們應該會獲得較發表結果高5%的g因子值。)

最大(飽和)磁化作用的確定是導致重大誤差的一個原因。在實驗中,使用了已發表的鐵的磁特性相關數據,由此確定了磁化作用是由螺線管場引起的,但是在標準的構成中,鐵棒也可能具有類似的特性。而且螺線管場本身是通過線圈常數計算出來而非通過測量獲得。[24]愛因斯坦和德哈斯還意識到了其他幾種系統誤差:1若旋轉軸與磁場軸不相符,則鐵棒將具有交互的水平磁矩,加之地球磁場會對回磁效應頻率這一研究對像產生大幅度的干擾;2地磁場的水平份量會直接造成鐵棒磁化。若螺線管產生了水平磁場,將會立刻作用於磁化了的鐵棒上,使其在預期的效應頻率下產生振蕩。同愛因斯坦-德哈斯效應中計算的強度相比,這些干擾因素中的任何一種均可能會強於多個數量級。愛因斯坦-德哈斯效應中的轉矩TEdH=2ωΔL,其中ω=50 s-1,ΔL為一次磁化逆轉中角動量的變化,則TEdH=2ωkM,約等於5×10-3爾格。如果鐵棒的振蕩偏離螺線管1%,在水平方向上將出現磁化,約為10爾格/高斯,加上地球橫向(無補償)場的0.1高斯,由傾斜造成轉矩Tmis=1爾格。在上文的第二種誤差情況中,地球橫向場將使鐵棒磁化,鐵棒的磁化率(磁場與鐵磁化之間的正比常數)約為2×104cm-3。復合磁化為2×103爾格/高斯,將會與螺線管交變磁場的水平份量結合。假設份量為螺線管場的1%,或0.5高斯,我們將得到Tearth=103爾格。兩種干擾均不會輕易推翻愛因斯坦-德哈斯效應的假定。[25]

對於旋磁實驗之前的失敗和最終的成功而言,地磁場的中和作用是最重要也是最棘手的問題。愛因斯坦和他的助手最初使用的是半徑1米的鐵環,鐵環周圍纏繞著線圈以消除地球磁場。使用電流表測量電流,監控鐵環的場強。為了檢測鐵棒周圍的場,實驗者使用了電流計和測量地磁場感應的設備。作為對地場補償的最終檢測,他們旋轉石英纖維,然後打開電流振蕩器。當鐵棒的角位置不斷改變,直至無法檢測出光束偏離的變化時,地場被認為是獲得了中和。

後來的實驗中證明了這種方法的不完善性。1915年4月1日,德哈斯回到了荷蘭。[26]之後,他和愛因斯坦分別繼續進行研究,試圖進一步減小殘餘的地球水平場影響。德哈斯消除第一種干擾情況的方式是將螺線管的線纏繞在鐵棒上,進而保證旋轉軸和磁軸具有一致性。磁化了的鐵棒和地球橫向場間仍然會出現耦合,即第二種干擾情況。由此,德哈斯製成了一塊大型永磁體,補償了鐵棒中心附近的地磁場,又製成了兩塊小的永磁體,補償了極點附近的地磁場。安放另一個線圈,方向與鐵棒線圈集合體垂直,由此剩下的所有磁場均得到了中和。兩個線圈進行串聯,將一個可變電阻器安裝在水平線圈的平行方向上。由此,德哈斯可以調節兩個線圈間的距離,調節電阻器來中和地磁場。[27]

德哈斯最終的創新之處是使用電流脈衝代替了正弦電流。他將擺改裝,每半周接通一次回路。當擺擺向一個方向時,完成的週期將向線圈發出一個單向電流脈衝。擺回後,電流脈衝流向相反方向。進行了對比實驗後,德哈斯確定偏差僅僅是由於愛因斯坦-德哈斯效應g=1.2情況產生的。他總結道:「這次我仍然沒有獲得任何精確的定量測定結果;然而,有一點值得一提,即實驗與理論間量的一致性是相當令人滿意的。同時,為未來對e/m值的精確確定打開了新的道路。」[28]

正如德哈斯所寫的,他將這一方法視為求得e/m值的有效途徑。他默認了繞軌電子是安培假說中磁化作用的介質。因此,在他看來,他測量的不再是轉矩,也沒有對推導結論和2m/e進行對比;他認為他在測量2m/e的值。這是他投身於理論的最典型標誌。但是,當時德哈斯將重點放在了研究方法上,以謹慎的態度提出了量化結論。

在剛剛過去的整個夏天裡,愛因斯坦努力改善了實驗形式,而後重複了實驗。1915年8月7日,他從柏林寄信給德哈斯(後來又回到了荷蘭),信中稱自己正在試圖對兩人的「光學」方法(即:使用鐵棒上鏡面反射的光)進行修改,但是更傾向於在鐵棒的固有振蕩諧振範圍外來研究這一效應。但是,愛因斯坦又有一點擔憂,他擔心在兩倍的磁場頻率背景刺激下,旋磁效應會消失。[29]8月14日,愛因斯坦祝賀德哈斯獲得了新發現,[30]這一結果十分可喜以至於愛因斯坦又寫了第二封信,信中說,自己對這一新成果十分羨慕(好奇),想要瞭解實驗步驟,包括其間遇到的「曲折與難題」。[31]與此同時,通過在哥廷根的一系列講座,廣義相對論已然對大衛·希爾伯特(David Hilbert)和費力克斯·克萊茵(Felix Klein)具有了「完全的說服力」,對此愛因斯坦表示出了較為滿意的態度。鑒於光學器件的背景問題,愛因斯坦暫時擱置了實驗。[32]

德哈斯私下裡已經開始懷疑,新發現的g因子1.2與1.0間的差距並不是一個意外。在1915年秋天,他寫信給愛因斯坦,提到了這一點。愛因斯坦在回復中說:

看到效應(指上文提到的德哈斯在實驗中獲得了g=1.2的值這一情況)相關研究工作取得了進展,我非常高興。我也進行了一些實驗,通過卸載電容我逆轉了剩磁。實驗不會取得成效,因為磁場時間較短(10-3秒),而且裝置中小鐵棒產生了強振動,這將使得效果不明顯。在你的方法中這一點可以自然地得到避免。我相信你所獲得的理論中10%的不一致是真實的。但是,如果這樣的話這將是很有意義的。[33]

不久之後,1916年2月愛因斯坦獨自撰寫了一篇關於實驗的文章,並以「演示實驗」為名將其發表。[34]他的觀點是快速逆轉剩餘磁性。通過在短時間內反轉螺線管,希望可以憑借螺線管強力磁場的直接磁耦合來避免造成鐵棒振蕩。同德哈斯一樣,愛因斯坦使用了交流脈衝而非正弦變電流。調整了石英纖維後,鐵棒自然產生振蕩,頻率為每秒一次或每週兩次。他注意到了光標的偏差情況。每當光線達到最大值時,他按下按鈕向電路施以脈衝。這將明顯地放大擺動或使擺動停止,從而至少從性質上論證了這一難以分辨的效應。還有一次,愛因斯坦指出了平衡地球磁場和適當校準鐵棒的問題,但是他並未給出具體細節或定量結果。

在至少進行了四種不同版本的實驗之後,愛因斯坦和德哈斯確定,他們已經證實了安培電流假說:繞軌電流是「電流渦動」。從性質上而言,四次實驗均指向了旋磁效應。在分別進行兩次定量測定後,他們將研究結果表示為:

在之後的幾年裡,德哈斯繼續進行測量,原則上是對2m/e的測量,不是乘法常量有待確定的基準標度。即便是愛因斯坦和德哈斯的效應理論看似也帶有他們期望的印跡:電子為繞軌運動,環繞「粒子」的負標記的原始偏差是錯誤的。愛因斯坦在明信片中再次試圖打消德哈斯的疑慮,他說,「除了這一點疏忽以外,論證的本質是正確的*」,其中的星號(*)是愛因斯坦為這位年輕同伴附上了的潦草腳註:「比起理解,更多的是幸運!!」[35]


註釋

[1] Fluckiger,Einstein in Bern(1974),172.

[2] Pais,Einstein(1982),48-49.

[3] Melcher,「Einstein」Physik in der Schule 17(1979):1-19.

[4] Einstein to E.Meyerson,27 January 1930,EA.

[5] Davidson,ed.,Gyroscope and Applications(1947),esp.section 2,by G.C.Saul,「Marine Appli cations」;this reference on p.70.

[6] 參見Hughes,Sperry(1971),130ff。

[7] Hughes,Sperry(1971),131.

[8] Hughes,Sperry(1971),149.

[9] Hughes,Sperry(1971),169.

[10] Van den Bos and Janse's patent,「Neuerung an Schiffscompassen,」carries the German patent number 34513.

[11] Einstein,「Patent Opinion,」EA,document 35/385,p.9;also see pp.8 and 11.

[12] 參見documents relating to Anschutz and Co.'s patent number 301738,「Anzeigervor-richtung fur die Drehungen eines Flugzeuges um die senkrechte Achse」:EA,documents 35/389-35/392.

[13] Einstein,EA,documents 35/401-35/414.Caveat lector:每一個文件都涉及了愛因斯坦的專利費,德國專利號394677。這是錯誤的。專利號應該是394667,在Anschutz and Co.'s「Kreiselapparat fur Messzwecke.」的名下。

[14] Barnett,「Magnetic Molecule,」Phys.Rev.10(1917):7.

[15] 「我非常關注你的光化學的實驗,你實現了我那已模糊不清多年的夢想。」參見Einstein to Warburg(25 April 1911 or 1912).EA.Cited in Cahan,Physikakisch-Technische Reichsanstalt(1980),397.

[16] Cahan,Physikalisch-Technische Reichsanstalt(1980),440.

[17] Einstein,「Lorentz,」in Lorentz(1957),5-9;Klein,Ehrenfest(1970),300;Hoffman,「Einstein,」Wirkung(1980).

[18] De Haas and Drapier,「Suszeptibilitat,」Deutsche Physikalische Gesellschaft,Berichte 10(1912):761-763;de Haas,「Resistance,」Akad.Wetensch.Amsterdam,Proc.16(1914):1110-1123.德哈斯的觀點參見Wiersma,「de haas」(1937).

[19] Einstein to Lorentz,3 February(1915),EdH.

[20] Einstein and de Haas,「Experimenteller Nachweis,」Verh.d.Deutsch.Phys.Ges.17(1915):152-170;Einstein and de Haas,「Experimental Proof,」Akad.Wetensch.Amsterdam,Proc.18(1916):696-711;Einstein and de Haas,「Proefon-dervindelijk,」Verslagen 23(1914/15):1449-1464.Cf.the excellent article by Frenkel,「Historiia,」Uspekhi fizicheskikh nauk 128(1979):545-557,and Whittaker,History(1973),2:243-245.Also see the very helpful works of Melcher,「Einstein,」Physik in der Schule 17(1979):1-19,esp.3-6;and Treder,「Einfache Methode,」Wissenschaft und Fortschritt 2(1979):53.

[21] Hartmann-Kempf,「Resonance Instruments,」Scientific Instruments(1904),56-57.

[22] Einstein and de Haas,「Experimenteller Nachweis,」Verh.d.Deutsch.Phys.Ges.17(1915):168.

[23] Einstein and de Haas,「Experimenteller Nachweis,」Verh.d.Deutsch.Phys.Ges.17(1915):168.

[24] Einstein and de Haas,「Experimenteller Nachweis,」Verh,d.Deutsch.Phys.Ges.17(1915):169;Einstein and de Haas,「Experimental Proof.」Akad.Wetensch.Amsterdam.Proc.18(1916):711.

[25] 愛因斯坦和德哈斯檢查了兩個可能性最大的錯誤源頭。他們利用傳導功能重複實驗,展示了渦流並非是重要影響因素,而不是利用無磁性的具有相同尺寸的物質,如鐵缸。他們還考慮了永久磁化水晶產生的干擾因素,上面的部件處於水平方向,不受磁場干擾發生偏轉。

[26] Hoffman,「Einstein,」Wirkung(1980),92.

[27] 德哈斯討論了第三個干擾源:如果存在磁滯現象,在部分電流循環中,水平磁化可能不與水平磁場平行。如果電流循環本身是不對稱的,則滯後域和領導域不會抵消。這樣便會導致淨扭轉干擾。De Haas,「Further Experiments,」Royal Academy of Amsterdam,Proc.18(1916):1281-1299.

[28] De Haas,「Further Experiments,」Royal Academy of Amsterdam,Proc.18(1916):1282.

[29] Einstein to de Haas,7 August 1915,EdH.

[30] Einstein to de Haas,14 August 1915.EdH.

[31] Einstein to de Haas(in Sanlpoort bei Haarlem),「Monday」(G.L.de Haas-Lorentz daled this leiter as August 1915),EdH.1915年8月16日星期一或1915年8月23日,因為愛因斯坦在之前(1915年8月14日星期六於柏林)報告稱德哈斯的設備已經準備好寄出;而在此信中,設備剛剛已經寄出去了。日期不可能是8月30日,因為愛因斯坦指的是他會在「月底」做的事情。

[32] Einstein to de Haas.

[33] Einstein to de Haas,no date(G.L.de Haas dotes as fall 1915).

[34] Einstein,「Einfaches,」Verh.d.Deutsch.Phys.Ges.18(1916):173-177.不是在1915年2月25日接收的(應為1916).

[35] 愛因斯坦和德哈斯錯誤地計算了磁場和桿運動之間的相位關係。Einstein to de Haas.28 April 1915.EdH.