100年前，這項著名實驗證實了量子力學_風聞

撰文 | 光子盒研究院

儘管量子力學具有反直覺的怪異性，但它卻是有史以來最成功的科學理論之一。除了構成我們理解原子和亞原子粒子的基石，它還催生了從激光和晶體管到量子密碼學和量子計算機等一系列技術。

但量子力學並不總是受到如此高的評價。

20 世紀初，當這一學科剛剛起步時，許多科學家對這一新奇的理論持懷疑態度。奧托·斯特恩（Otto Stern）就是懷疑者之一，他與德國物理學家瓦爾特·格拉赫（Walther Gerlach）一起，設計了一個現在已經聞名遐邇的實驗來推翻這一理論。

一個世紀以前，斯特恩-格拉赫（Stern-Gerlach）實驗確立了量子力學的真理。現在，它被用來探測量子理論和引力的衝突。

奧托·斯特恩（左）和瓦爾特·格拉赫曾要挑戰量子力學；然而，他們的實驗卻為這一新誕生的領域奠定了基礎。

在歐文·薛定諤（Erwin Schrödinger）的貓同時死去和活着之前，在點狀電子像波浪一樣衝過細縫之前，一個鮮為人知的實驗，揭開了量子世界令人眼花繚亂的面紗。1922年，德國物理學家奧托·斯特恩和瓦爾特·格拉赫證明，原子的行為受一些規則支配，而這些規則與人們的預期截然不同——這一觀察鞏固了尚處於萌芽階段的量子力學理論。

“斯特恩-格拉赫實驗是一個標誌——它是一個劃時代的實驗，”德國弗裏茨哈伯研究所（Fritz Haber Institute）的物理學家和歷史學家佈列蒂斯拉夫·弗里德里希（Bretislav Friedrich）説，他最近發表了一篇關於這個主題的評論，並編輯了一本書。

“這確實是有史以來物理學中最重要的實驗之一。”

該實驗的解釋也引發了數十年的爭論。近年來，以色列的物理學家終於能夠設計出一種具有必要靈敏度的實驗，以準確地闡明我們應該如何理解工作中的基本量子過程。有了這一成就，他們發明了一種探索量子世界邊界的新技術。該團隊現在將嘗試修改斯特恩和格拉赫已有百年曆史的裝置，以探索引力的本質——並可能在現代物理學的兩大支柱之間架起一座橋樑。

蒸發銀

在1921年，傳統物理定律在最小尺度上不同的觀點仍然頗具爭議。由尼爾斯·玻爾提出的新的佔統治地位的原子理論是爭論的關鍵。他的理論的特點是原子核被電子圍繞在固定的軌道上——這些粒子只能在距離原子核一定距離的地方，以一定的能量，在磁場中以一定的角度旋轉。

玻爾建議中的約束條件是如此嚴格，似乎是武斷的，以至於斯特恩承諾，如果該模型被證明是正確的，他將退出物理學。

斯特恩設想了一個可以推翻玻爾理論的實驗。他想測試電子在磁場中是否可以定向，還是像玻爾提出的那樣只能在離散方向上定向。

斯特恩計劃蒸發一個銀樣本，並將其濃縮成一束原子。然後，他將光束射入一個非均勻磁場，並將原子收集到一塊玻璃板上。因為單個銀原子就像小磁鐵，磁場會根據它們的方向使它們發生不同角度的偏轉。如果它們最外層的電子能像經典理論所預測的那樣任意定向，那麼被偏轉的原子將有望沿着探測器板形成一個單一的寬塗抹。

但是，如果玻爾是正確的，並且像原子這樣的微小系統遵循奇怪的量子規則，那麼銀原子在場中只能走兩條路徑，而平板就會顯示出兩條離散的線。

斯特恩的想法在理論上很簡單。但在實踐中，他把實驗留給了格拉赫，相當於格拉赫的研究生威廉·施茨（Wilhelm Schütz）後來形容為“西西弗斯式的勞動”。為了使銀蒸發，科學家們需要將其加熱到1000攝氏度以上，而不能融化玻璃真空室的任何密封，真空室的泵也經常破碎。

隨着德國戰後通貨膨脹率飆升，該實驗的資金枯竭。阿爾伯特·愛因斯坦和銀行家亨利·戈德曼最終用他們的捐款拯救了該團隊。

一旦實驗開始運行，產生任何清晰的結果仍然是一個挑戰。收集板只有釘子頭大小的一小部分，所以要想讀取銀沉積物中的圖案需要顯微鏡。也許是杜撰的，科學家們無意中用可疑的實驗室禮儀幫助自己解決了這個問題：如果不是他們的雪茄飄進來的煙，銀礦是看不見的，因為他們的工資低，雪茄便宜，而且富含硫，這有助於銀變成可見的黑色硫化銀。

2003年，弗里德里希（Bretislav Friedrich）和一位同事重現了這一幕，證實了銀色信號只在廉價雪茄煙霧中出現。

銀的旋轉

經過幾個月的故障排除，1922年2月7日，格拉赫花了整整一個晚上，向探測器發射銀。第二天早上，他和他的同事們開發了這個平板，發現了“金子”：一個銀礦牀被整齊地分成了兩半，就像量子領域的一個吻。

斯特恩和格拉赫的實驗設備。該示意圖顯示銀束從烘箱 (O) 中射出並穿過針孔 (S1) 和矩形狹縫 (S2)。然後它進入磁場，其方向由兩個極片 (P) 之間的箭頭指示，最後到達檢測器板 (A)

格拉赫和斯特恩論文的翻譯，該論文報告了磁場中原子量子化的第一個證據。

論文鏈接：

https://arxiv.org/abs/2301.11343

格拉赫用顯微照片記錄了這一結果，並將其作為明信片寄給了玻爾，並附上了這樣的信息：“我們祝賀你的理論得到了證實。”

這一發現震驚了物理界。阿爾伯特·愛因斯坦稱其為“目前最有趣的成就”，並提名該團隊獲得諾貝爾獎。伊西多·拉比（Isidor Rabi）説，這個實驗“徹底地説服了我……量子現象需要一個全新的方向。”

斯特恩質疑量子理論的夢想顯然事與願違，儘管他沒有遵守放棄物理學的承諾；相反，他在1943年因隨後的發現獲得了諾貝爾獎。“我仍然反對……量子力學之美，”斯特恩説，“但她是正確的。”

今天，物理學家們認識到，斯特恩和格拉赫將他們的實驗解釋為對尚處於萌芽階段的量子理論的證實是正確的。但他們是對的，理由是錯的。科學家們假設銀原子的分裂軌跡是由其最外層電子的軌道決定的，它以一定的角度固定。

實際上，分裂是由於電子內部角動量的量子化——一個被稱為自旋的量。它在幾年後才被發現。偶然的是，這一解釋得到了證實，因為弗里德里希稱之為“奇怪的巧合，大自然的陰謀”拯救了研究人員：電子的兩個未知屬性——自旋和異常磁矩，恰好相互抵消了。

驗證實驗的“量子性”

斯特恩-格拉赫實驗的教科書解釋認為，當銀原子運動時，電子不會向上或向下自旋。它處於這些狀態的量子混合或“疊加”中。原子同時走兩條路徑。只有當它撞進探測器時，它的狀態才被測量，它的路徑才被固定。

斯特恩（如圖所示）和格拉赫在實驗室裏抽雪茄，為自己助了一臂之力。據報道，雪茄煙有助於在他們的探測器上形成銀沉積物，從而揭示量子世界的工作原理。

但從20世紀30年代開始，許多著名的理論家選擇了一種不需要那麼多“量子魔法”的解釋。該論點認為，磁場有效地測量了每個電子並定義了其自旋。這些批評家認為，每個原子同時走兩條路的想法是荒謬和不必要的。

理論上，這兩種假設都是可以驗證的。如果每個原子確實帶着兩種人格穿越磁場，那麼從理論上講，重新組合這些幽靈般的身份應該是可能的。這樣做會在它們重新排列時在探測器上產生一種特殊的干涉圖案——這表明原子確實在兩條路線上都航行過。

最大的挑戰是，為了保持疊加併產生最終的干擾信號，角色必須如此順利和迅速地分離，以至於兩個分離的實體具有完全無法區分的歷史，不瞭解對方，也沒有辦法告訴他們走了哪條路。

在20世紀80年代，多重理論學家認為，如此完美地分裂和重組電子的身份，就像從牆上摔下來後重建矮胖子一樣不可行。

然而，在2019年，以色列本·古裏安大學的羅恩·福爾曼（Ron Folman）領導的一個物理學家團隊把這些蛋殼粘在了一起。研究人員首先重現了斯特恩-格拉赫實驗，但不是用銀，而是用一個由10000個銣原子組成的過冷量子聚落，他們將其捕獲，並在一個指甲大小的芯片上操縱。他們把銣電子的自旋疊加在上下，然後應用各種磁脈衝來精確地分離和重組每個原子，所有這些都在百萬分之一秒內完成。他們發現了1927年首次預測的干涉模式，從而完成了斯特恩-格拉赫環路。

論文鏈接：

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/ab2fdc

弗里德里希説：“他們把胖墩兒重新組裝起來了。”“這是一門美麗的科學，也是一個巨大的挑戰，但他們已經能夠應對它。”

解決一系列量子引力之謎

除了幫助驗證斯特恩和格拉赫實驗的“量子性”之外，福爾曼的工作還提供了一種探索量子體制極限的新方法。

今天，科學家們仍然不確定在遵守量子定律的情況下物體能有多大，尤其是當它們大到足以讓引力介入的時候。在20世紀60年代，物理學家提出，一個全環斯特恩-格拉赫實驗將創造一個超靈敏的干涉儀，可以幫助測試量子-經典邊界。2017年，物理學家擴展了這一想法，並建議通過兩個相鄰的斯特恩-格拉赫裝置發射“小鑽石”，看看它們是否會發生引力相互作用。

福爾曼的團隊正在努力迎接這一挑戰。在2021年，他們概述了一種方法來加強他們的單原子芯片干涉儀，用於宏觀物體，如由幾百萬原子組成的“鑽石”。從那以後，他們在一系列論文中表明，分裂越來越大的質量將再次成為西西弗斯式的，但並非不可能，並且可以幫助解決一系列量子引力之謎。

論文鏈接：

https://arxiv.org/abs/2305.15230

“斯特恩-格拉赫實驗遠遠沒有完成它的歷史角色，”福爾曼説。“它還能給我們帶來很多東西。”

參考鏈接

[1]https://arxiv.org/pdf/1609.09311.pdf

[2]https://www.fhi.mpg.de/584837/Group-Leader

[3]https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-030-63963-1

[4]https://pubs.aip.org/physicstoday/article/56/12/53/632269/Stern-and-Gerlach-How-a-Bad-Cigar-Helped-Reorient

[5]https://www.quantamagazine.org/the-often-overlooked-experiment-that-revealed-the-quantum-world-20231205/

[6]https://www.scientificamerican.com/article/100-years-ago-a-quantum-experiment-explained-why-we-dont-fall-through-our-chairs/

[7]https://physicsworld.com/a/how-the-stern-gerlach-experiment-made-physicists-believe-in-quantum-mechanics/

本文經授權轉載自微信公眾號“光子盒”。

特 別 提 示

1. 進入『返樸』微信公眾號底部菜單“精品專欄“，可查閲不同主題系列科普文章。

2. 『返樸』提供按月檢索文章功能。關注公眾號，回覆四位數組成的年份+月份，如“1903”，可獲取2019年3月的文章索引，以此類推。