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100年前，这项著名实验证实了量子力学

返光子盒研究院约 8 分钟
撰文 | 光子盒研究院
尽管量子力学具有反直觉的怪异性，但它却是有史以来最成功的科学理论之一。除了构成我们理解原子和亚原子粒子的基石，它还催生了从激光和晶体管到量子密码学和量子计算机等一系列技术。
但量子力学并不总是受到如此高的评价。
20 世纪初，当这一学科刚刚起步时，许多科学家对这一新奇的理论持怀疑态度。奥托·斯特恩（Otto Stern）就是怀疑者之一，他与德国物理学家瓦尔特·格拉赫（Walther Gerlach）一起，设计了一个现在已经闻名遐迩的实验来推翻这一理论。
一个世纪以前，斯特恩-格拉赫（Stern-Gerlach）实验确立了量子力学的真理。现在，它被用来探测量子理论和引力的冲突。
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奥托·斯特恩（左）和瓦尔特·格拉赫曾要挑战量子力学；然而，他们的实验却为这一新诞生的领域奠定了基础。

在欧文·薛定谔（Erwin Schrödinger）的猫同时死去和活着之前，在点状电子像波浪一样冲过细缝之前，一个鲜为人知的实验，揭开了量子世界令人眼花缭乱的面纱。1922年，德国物理学家奥托·斯特恩和瓦尔特·格拉赫证明，原子的行为受一些规则支配，而这些规则与人们的预期截然不同——这一观察巩固了尚处于萌芽阶段的量子力学理论。 
“斯特恩-格拉赫实验是一个标志——它是一个划时代的实验，”德国弗里茨哈伯研究所（Fritz Haber Institute）的物理学家和历史学家布列蒂斯拉夫·弗里德里希（Bretislav Friedrich）说，他最近发表了一篇关于这个主题的评论，并编辑了一本书。
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“这确实是有史以来物理学中最重要的实验之一。”
该实验的解释也引发了数十年的争论。近年来，以色列的物理学家终于能够设计出一种具有必要灵敏度的实验，以准确地阐明我们应该如何理解工作中的基本量子过程。有了这一成就，他们发明了一种探索量子世界边界的新技术。该团队现在将尝试修改斯特恩和格拉赫已有百年历史的装置，以探索引力的本质——并可能在现代物理学的两大支柱之间架起一座桥梁。

蒸发银

在1921年，传统物理定律在最小尺度上不同的观点仍然颇具争议。由尼尔斯·玻尔提出的新的占统治地位的原子理论是争论的关键。他的理论的特点是原子核被电子围绕在固定的轨道上——这些粒子只能在距离原子核一定距离的地方，以一定的能量，在磁场中以一定的角度旋转。
玻尔建议中的约束条件是如此严格，似乎是武断的，以至于斯特恩承诺，如果该模型被证明是正确的，他将退出物理学。
斯特恩设想了一个可以推翻玻尔理论的实验。他想测试电子在磁场中是否可以定向，还是像玻尔提出的那样只能在离散方向上定向。
斯特恩计划蒸发一个银样本，并将其浓缩成一束原子。然后，他将光束射入一个非均匀磁场，并将原子收集到一块玻璃板上。因为单个银原子就像小磁铁，磁场会根据它们的方向使它们发生不同角度的偏转。如果它们最外层的电子能像经典理论所预测的那样任意定向，那么被偏转的原子将有望沿着探测器板形成一个单一的宽涂抹。
但是，如果玻尔是正确的，并且像原子这样的微小系统遵循奇怪的量子规则，那么银原子在场中只能走两条路径，而平板就会显示出两条离散的线。
斯特恩的想法在理论上很简单。但在实践中，他把实验留给了格拉赫，相当于格拉赫的研究生威廉·施茨（Wilhelm Schütz）后来形容为“西西弗斯式的劳动”。为了使银蒸发，科学家们需要将其加热到1000摄氏度以上，而不能融化玻璃真空室的任何密封，真空室的泵也经常破碎。
随着德国战后通货膨胀率飙升，该实验的资金枯竭。阿尔伯特·爱因斯坦和银行家亨利·戈德曼最终用他们的捐款拯救了该团队。
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一旦实验开始运行，产生任何清晰的结果仍然是一个挑战。收集板只有钉子头大小的一小部分，所以要想读取银沉积物中的图案需要显微镜。也许是杜撰的，科学家们无意中用可疑的实验室礼仪帮助自己解决了这个问题：如果不是他们的雪茄飘进来的烟，银矿是看不见的，因为他们的工资低，雪茄便宜，而且富含硫，这有助于银变成可见的黑色硫化银。
2003年，弗里德里希（Bretislav Friedrich）和一位同事重现了这一幕，证实了银色信号只在廉价雪茄烟雾中出现。

银的旋转

经过几个月的故障排除，1922年2月7日，格拉赫花了整整一个晚上，向探测器发射银。第二天早上，他和他的同事们开发了这个平板，发现了“金子”：一个银矿床被整齐地分成了两半，就像量子领域的一个吻。

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斯特恩和格拉赫的实验设备。该示意图显示银束从烘箱 (O) 中射出并穿过针孔 (S1) 和矩形狭缝 (S2)。然后它进入磁场，其方向由两个极片 (P) 之间的箭头指示，最后到达检测器板 (A)

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格拉赫和斯特恩论文的翻译，该论文报告了磁场中原子量子化的第一个证据。
论文链接：
https://arxiv.org/abs/2301.11343
格拉赫用显微照片记录了这一结果，并将其作为明信片寄给了玻尔，并附上了这样的信息：“我们祝贺你的理论得到了证实。”
这一发现震惊了物理界。阿尔伯特·爱因斯坦称其为“目前最有趣的成就”，并提名该团队获得诺贝尔奖。伊西多·拉比（Isidor Rabi）说，这个实验“彻底地说服了我……量子现象需要一个全新的方向。”
斯特恩质疑量子理论的梦想显然事与愿违，尽管他没有遵守放弃物理学的承诺；相反，他在1943年因随后的发现获得了诺贝尔奖。“我仍然反对……量子力学之美，”斯特恩说，“但她是正确的。”
今天，物理学家们认识到，斯特恩和格拉赫将他们的实验解释为对尚处于萌芽阶段的量子理论的证实是正确的。但他们是对的，理由是错的。科学家们假设银原子的分裂轨迹是由其最外层电子的轨道决定的，它以一定的角度固定。
实际上，分裂是由于电子内部角动量的量子化——一个被称为自旋的量。它在几年后才被发现。偶然的是，这一解释得到了证实，因为弗里德里希称之为“奇怪的巧合，大自然的阴谋”拯救了研究人员：电子的两个未知属性——自旋和异常磁矩，恰好相互抵消了。

验证实验的“量子性”

斯特恩-格拉赫实验的教科书解释认为，当银原子运动时，电子不会向上或向下自旋。它处于这些状态的量子混合或“叠加”中。原子同时走两条路径。只有当它撞进探测器时，它的状态才被测量，它的路径才被固定。
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斯特恩（如图所示）和格拉赫在实验室里抽雪茄，为自己助了一臂之力。据报道，雪茄烟有助于在他们的探测器上形成银沉积物，从而揭示量子世界的工作原理。

但从20世纪30年代开始，许多著名的理论家选择了一种不需要那么多“量子魔法”的解释。该论点认为，磁场有效地测量了每个电子并定义了其自旋。这些批评家认为，每个原子同时走两条路的想法是荒谬和不必要的。
理论上，这两种假设都是可以验证的。如果每个原子确实带着两种人格穿越磁场，那么从理论上讲，重新组合这些幽灵般的身份应该是可能的。这样做会在它们重新排列时在探测器上产生一种特殊的干涉图案——这表明原子确实在两条路线上都航行过。
最大的挑战是，为了保持叠加并产生最终的干扰信号，角色必须如此顺利和迅速地分离，以至于两个分离的实体具有完全无法区分的历史，不了解对方，也没有办法告诉他们走了哪条路。
在20世纪80年代，多重理论学家认为，如此完美地分裂和重组电子的身份，就像从墙上摔下来后重建矮胖子一样不可行。
然而，在2019年，以色列本·古里安大学的罗恩·福尔曼（Ron Folman）领导的一个物理学家团队把这些蛋壳粘在了一起。研究人员首先重现了斯特恩-格拉赫实验，但不是用银，而是用一个由10000个铷原子组成的过冷量子聚落，他们将其捕获，并在一个指甲大小的芯片上操纵。他们把铷电子的自旋叠加在上下，然后应用各种磁脉冲来精确地分离和重组每个原子，所有这些都在百万分之一秒内完成。他们发现了1927年首次预测的干涉模式，从而完成了斯特恩-格拉赫环路。
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论文链接：
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/ab2fdc
弗里德里希说：“他们把胖墩儿重新组装起来了。”“这是一门美丽的科学，也是一个巨大的挑战，但他们已经能够应对它。”

解决一系列量子引力之谜

除了帮助验证斯特恩和格拉赫实验的“量子性”之外，福尔曼的工作还提供了一种探索量子体制极限的新方法。
今天，科学家们仍然不确定在遵守量子定律的情况下物体能有多大，尤其是当它们大到足以让引力介入的时候。在20世纪60年代，物理学家提出，一个全环斯特恩-格拉赫实验将创造一个超灵敏的干涉仪，可以帮助测试量子-经典边界。2017年，物理学家扩展了这一想法，并建议通过两个相邻的斯特恩-格拉赫装置发射“小钻石”，看看它们是否会发生引力相互作用。
福尔曼的团队正在努力迎接这一挑战。在2021年，他们概述了一种方法来加强他们的单原子芯片干涉仪，用于宏观物体，如由几百万原子组成的“钻石”。从那以后，他们在一系列论文中表明，分裂越来越大的质量将再次成为西西弗斯式的，但并非不可能，并且可以帮助解决一系列量子引力之谜。
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论文链接：
https://arxiv.org/abs/2305.15230
“斯特恩-格拉赫实验远远没有完成它的历史角色，”福尔曼说。“它还能给我们带来很多东西。”

参考链接

[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/

本文经授权转载自微信公众号“光子盒”。

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