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一個世紀前，斯特恩-格拉赫（Stern-Gerlach）實驗確立了量子力學的真理。現在，它被用來探索量子理論和引力的衝突。
奧托·斯特恩(Otto Stern, 左)和瓦爾特·格拉赫（Walther Gerlach）開始挑戰量子力學。然而，他們的實驗卻為這個新生的領域奠定了基礎。來源：德國博物館；尼爾斯·玻爾檔案館
在歐文·薛定諤（Erwin Schrödinger）的貓同時處於死和活狀態之前，也在點狀電子像波浪一樣穿過細縫之前，一個鮮為人知的實驗揭開了量子世界那令人困惑的神秘面紗。1922年，德國物理學家奧托·斯特恩（Otto Stern）和瓦爾特·格拉赫(Walther Gerlach)證明了，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——這一觀察鞏固了還未成熟的量子力學理論。
“施特恩-格拉赫實驗是一個標誌——它是一個劃時代的實驗，德國弗裡茨哈伯研究所的物理學家兼歷史學家佈列蒂斯拉夫·弗里德里希（Bretislav Friedrich）說，他最近發表了一篇評論並編輯了一本關於該實驗的書。“這確實是物理學史上最重要的實驗之一。”
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所需靈敏度的實驗，來準確闡明我們應該如何理解工作中的基本量子過程。有了這一項突破，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的百年曆史的老裝置，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。
在1921年，傳統物理定律在最小尺度上的差異仍然頗具爭議。由尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）提出的新的居於統治地位的原子理論是爭論的關鍵。他的理論特別指出：原子核周圍存在著在固定軌道上運動的電子，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，在磁場中以一定角度旋轉。玻爾提出的約束條件是如此的嚴格甚至有些隨意，以至於斯特恩發誓：如果模型被證明是正確的，他將退出物理學界。
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品，並將其匯聚成原子束。然後，他將光束射入到一個非均勻的磁場，並將原子收集到一塊玻璃板上。因為單個銀原子就像小小磁鐵，磁場會根據它們不同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沿著探測板形成一個單一的寬軌跡。
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，那麼銀原子在磁場中只能走兩條路徑，而平板就會顯示出兩條不連續的線。
斯特恩的想法在理論上很簡單。但在實踐中，建立這個實驗的任務交給了格拉赫（Gerlach）以及格拉赫的研究生威廉·舒茨（Wilhelm Schütz)，後來威廉·舒茨描述這個實驗為“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，同時不能融化玻璃真空室的任何密封裝置，真空室的泵也經常破碎。隨著德國戰後通貨膨脹飆升，這項實驗的資金枯竭。阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）和銀行家亨利·戈德曼（Henry Goldman）最終用他們的捐款拯救了這支實驗團隊。
一旦實驗開始執行，要想獲得清晰的結果仍然是一個挑戰。收集板只有指甲蓋大小的一小塊，所以想要讀取銀沉積物中的圖案需要一臺顯微鏡。也許是天方夜譚，科學家的一些不太符合實驗室規範的操作意外的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，銀沉積層本來是看不見的；因為他們的工資低，雪茄便宜，而且富含硫，這有助於銀變成能夠看得見的黑色硫化銀。（在2003年，弗里德里希和一位同事重現了這一幕，證實了銀沉積層訊號只在廉價雪茄煙的作用下出現。）
經過數月的故障排除，格拉赫在1922年2月7日的整個晚上一直在向探測器發射銀原子束。第二天早上，他和同事們應用了這塊板並向其轟擊金原子，一個銀沉積層被整齊地分成了兩半，就像量子領域的一個吻。格拉赫用顯微鏡照片記錄了這一結果，並將其作為明信片寄給玻爾，並附上了這樣的資訊：“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（Albert Einstein）稱其為“目前最有意思的成就”，並提名該團隊獲得諾貝爾獎。伊西多爾·拉比（Isidor Rabi）說：“這個實驗徹底說服了我…量子現象需要一個全新的方向。”斯特恩抨擊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，他因隨後的發現而在1934年獲得了諾貝爾獎。“我仍然反對……量子力學之美”斯特恩說，“但她是正確的。”
斯特恩和格拉赫的實驗裝置。
今天，物理學家們認識到，斯特恩和格拉赫的實驗對尚處於萌芽階段的量子理論提供了有力的實驗支撐。然而結論是對的，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，該軌道固定在一定的角度。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。這一解釋偶然地得到了證實，因此拯救了研究人員，弗里德里希稱之為“奇怪的巧合，大自然的陰謀”：電子的兩個未知的——自旋和反常磁矩——恰好相互抵消了。
斯特恩-格拉赫實驗的教科書解釋認為，當銀原子運動時，電子不會自旋向上或自旋向下。它處於這些狀態的量子混合或“疊加”狀態中。這種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。
但是從20世紀30年代開始，許多著名的理論學家選擇了一種不需要那麼多量子魔法的解釋，該觀點認為：磁場有效地測量了每個電子並定義了其自旋。這些批判家認為，每個原子同時走兩條路的想法是荒謬和不必要的。
理論上，這兩個假設都是可以驗證。如果每個原子的確是以兩種狀態穿越磁場，那麼從理論上講，重新組合這些幽靈般的身份應該是有可能的。當它們重新排列時，這樣會在一個探測器上產生一個特定的干涉圖案——這表明一個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訊號，必須很順利和迅速地分離狀態，以至於兩個分離的實體具有完全無法區分的歷史，不知道對方的存在，也無法分辨它們走的是哪條路。在20世紀80年代，多位理論學家認為，如此完美地拆分和重組電子的身份，就像胖墩從牆上摔下來後重建他的身體一樣不可行。
奧托·斯特恩（Otto Stern）(如圖所示)和瓦爾特·格拉赫（Walther Gerlach）透過在他們的實驗室裡抽雪茄幫助了他們自己。據報道，雪茄煙霧幫助了他們在探測器上發現了銀沉積層，揭示了量子世界的運作機理。AIP Emilio Segrè Visual Archives/Segrè 收藏
然而，在2019年，由內蓋夫本古裡安大學的羅恩·福爾曼（Ron Folman）領導的一個物理學家團隊有效地解決了這個問題。研究人員首先重現了斯特恩-格拉赫實驗，但並不是用銀，而是用一個由10000個銣原子組成的超冷量子聚集合體，他們將其捕獲並操縱在一個指甲大小的晶片上。他們將銣電子的自旋置於一種上疊加狀態中，然後施加各種磁脈衝來精確地分離和重新結合每個原子，所有這些都在幾百萬分之一秒內完成。他們發現了在1927年首次預測的精確的干涉模式，從而完成了斯特恩-格拉赫環路。
弗裡德希說：“他們能夠來再次將胖墩兒重新組裝起來了，這是一門美麗的科學，一直是一個巨大的挑戰，但他們已經能夠應對它”。
除了幫助驗證斯特恩和格拉赫實驗的“量子性”外，福爾曼的工作還提供了一種探索量子機制極限的新方法。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時。在 20世紀60年代，物理學家提出了基於斯特恩和格拉赫實驗構建的一個超靈敏的干涉儀，可以幫助測試量子經典邊界。2017 年，物理學家擴充套件了這一想法，並提出了透過兩個相鄰的斯特恩-格拉赫實驗裝置射擊微小的鑽石，來看它們是否會發生引力相互作用。
作者：ZACK SAVITSKY
翻譯：深淺
審校：掃地僧
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在分析實驗方面取材廣泛，涉及光學、天文學實驗、高能物理、原子物理等多個領域，為不同背景的專業人士提供實驗基礎解釋。在釐析歷史事實方面做了精準解讀，對正確理解物理學概念和理論發展起到關鍵性作用。
【互動問題：物理學中規律的發現並不是一蹴而就的，有的時候還有一定的巧合，物理學史稱之為“偶然的遭遇”．這種“偶然的遭遇”你還知道哪些？請留下自己的思考】
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