揭示量子世界的（经常）被忽视的实验| 广达杂志

在埃尔文·薛定谔的猫既死又活之前，在点状电子像波一样冲过细缝之前，一个不太为人所知的实验揭开了量子世界令人眼花缭乱的美丽的面纱。 1922 年，德国物理学家奥托·斯特恩 (Otto Stern) 和瓦尔特·格拉赫 (Walther Gerlach) 证明，原子的行为受到违背预期的规则的控制——这一观察巩固了仍在萌芽的量子力学理论。

“斯特恩-格拉赫实验是一个标志——这是一个划时代的实验，”说 布雷迪斯拉夫·弗里德里希德国弗里茨·哈伯研究所的物理学家和历史学家，最近发表了 回顾 并编辑 一本书 就此主题而言。 “这确实是物理学史上最重要的实验之一。”

实验的解释也 推出 几十年的争论。 近年来，以色列的物理学家终于能够设计出具有必要灵敏度的实验，以准确阐明我们应该如何理解工作中的基本量子过程。 凭借这一成就，他们开发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的百年装置来探索重力的本质，或许还可以在现代物理学的两大支柱之间架起一座桥梁。

汽化银

1921 年，传统物理定律在最小尺度上存在差异的观点仍然颇具争议。 尼尔斯·玻尔提出的新原子理论是争论的核心。 他的理论的特点是原子核被固定轨道上的电子包围——这些粒子只能在距原子核一定距离、具有一定能量、在磁场内以一定角度旋转。 玻尔提议中的限制是如此严格且看似武断，以至于斯特恩承诺如果模型被证明是正确的，他就会退出物理学。

斯特恩设想了一个可能使玻尔理论无效的实验。 他想测试磁场中的电子是否可以以任何方式定向，或者只能像玻尔提出的那样以离散方向定向。

斯特恩计划蒸发银样品并将其浓缩成原子束。 然后他将光束射过不均匀的磁场，并将原子收集在玻璃板上。 因为单个银原子就像小磁铁，磁场会根据它们的方向以不同的角度偏转它们。 如果它们最外层的电子可以随意定向，正如经典理论所预测的那样，那么偏转的原子将有望沿着探测器板形成一个宽阔的污点。

但如果玻尔是正确的，并且像原子这样的微小系统遵循奇怪的量子规则，那么银原子只能通过两条路径穿过场，并且板将显示两条离散的线。

斯特恩的想法在理论上很简单。 但在实践中，他留给格拉赫的实验的建立相当于格拉赫的研究生威廉·舒茨后来所描述的“西西弗斯式的劳动”。 为了蒸发银，科学家们需要将其加热到 1,000 摄氏度以上，同时又不能熔化玻璃真空室上的任何密封件，而玻璃真空室的泵也经常破碎。 随着德国战后通胀飙升，该实验的资金逐渐枯竭。 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救助了这个团队。

实验开始后，产生任何清晰的结果仍然是一个挑战。 收集板只有钉头大小的一小部分，因此读取银沉积物中的图案需要显微镜。 也许是杜撰的，科学家们无意中用有问题的实验室礼仪解决了自己的问题：如果不是雪茄中滴出的烟雾，银矿床可能是看不见的，因为他们的工资很低，雪茄价格便宜，而且富含硫磺，帮助银发展成可见的乌黑硫化银。 （2003 年，弗里德里希和一位同事 重演了这一集 并证实银色信号仅在存在廉价雪茄烟雾的情况下出现。）

银的旋转

经过数月的故障排除后，格拉赫在 7 年 1922 月 XNUMX 日整晚都在向探测器发射银光。 第二天早上，他和同事们开发了该板块并 打金：银矿整齐地一分为二，就像来自量子领域的一个吻。 格拉赫将结果记录在一张显微照片中，并将其作为明信片寄给玻尔，并附上这样的信息：“我们祝贺你的理论得到证实。”

这一发现震惊了物理学界。 艾尔伯特爱因斯坦 被称为 这是“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 说这个实验“让我一劳永逸地相信……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适得其反，尽管他没有信守退出物理学的承诺。 相反，他 韩元 1943 年因后续发现而获得诺贝尔奖。 “我仍然反对……量子力学之美，”斯特恩说，“但她是对的。”

今天，物理学家认识到斯特恩和格拉赫将他们的实验解释为对仍处于萌芽状态的量子理论的证实是正确的。 但他们的理由却是正确的。 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定义的，该轨道以一定的角度固定。 事实上，分裂是由于电子内部角动量的量子化造成的——这个量被称为自旋，几年后才会被发现。 偶然地，这种解释成功了，因为弗里德里希所说的“奇怪的巧合，这种自然的阴谋”拯救了研究人员：电子的两个尚不为人所知的特性——它的自旋和它的反常磁矩——碰巧抵消了。

破裂的鸡蛋

斯特恩-格拉赫实验的教科书解释认为，当银原子运动时，电子不会向上自旋或向下自旋。 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。 只有在撞击探测器时，才会测量其状态，确定其路径。

但从 1930 世纪 XNUMX 年代开始，许多著名理论家选择了一种需要较少量子魔法的解释。 该论点认为，磁场有效地测量每个电子并定义其自旋。 这些批评者认为，每个原子同时选择两条路径的想法是荒谬且不必要的。

理论上，这两个假设都可以得到检验。 如果每个原子确实以两个角色穿过磁场，那么从理论上讲，应该有可能重新组合这些幽灵般的身份。 这样做会在探测器重新排列时在探测器上产生特定的干涉图案，这表明原子确实沿着两条路线航行。

巨大的挑战是，为了保持叠加并生成最终的干扰信号，角色必须如此顺利和快速地分裂，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，也无法知道他们走了哪条路。 在 1980 世纪 XNUMX 年代，多名理论家认为，如此完美地分裂和重组电子的身份是不可行的 重建矮胖子 在他从墙上摔下来之后。

然而，在 2019 年，由 罗恩·福尔曼 内盖夫本古里安大学 把那些蛋壳粘起来 重新走到一起。 研究人员首先重现了 Stern-Gerlach 实验，虽然不是用银，而是用 10,000 个铷原子的过冷量子聚集体，他们在指甲盖大小的芯片上捕获和操纵这些原子。 他们将铷电子的自旋上下叠加，然后应用各种磁脉冲来精确分离和重组每个原子，所有这些都在百万分之几秒内完成。 他们首先看到了确切的干涉图案 都曾预测 1927年，从而完成了斯特恩-格拉赫环路。

“他们能够将矮胖子重新组装起来，”弗里德里希说。 “这是美丽的科学，这是一个巨大的挑战，但他们已经能够应对它。​​”

培育钻石

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系极限的新方法。 今天，科学家们仍然不确定 物体可以有多大 同时仍然遵守量子戒律，特别是当量子戒律大到足以引起引力干预时。 1960世纪XNUMX年代，物理学家 建议 全环斯特恩-格拉赫实验将创建一个超灵敏干涉仪，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 Stern-Gerlach 装置发射微小钻石，看看它们是否存在引力相互作用。

福尔曼的团队现在正在努力应对这一挑战。 2021年，他们 概述 一种增强单原子芯片干涉仪的方法，以用于宏观物体，例如包含几百万个原子的钻石。 从那时起，他们就以 系列 of 文件 如何分裂越来越大的质量将再次成为西西弗斯式的事情，但并非不可能，并且可以帮助解决一系列量子引力之谜。

“斯特恩-格拉赫实验还远远没有完成其历史作用，”福尔曼说。 “它还能给我们带来很多东西。”

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