斯特恩与盖拉赫.pdf

斯特恩与盖拉赫: 一只劣质卷烟是如何帮助重新规划原子物理的 Bretislav Friedrich and Dudley Hersbach (中国科学院物理研究所 曹则贤译) (本文原载于 Physics today, December 2003,美国物理学会授权翻译转 载) “Reprinted with permission from Physics Today, December 2003, Copyright 2003, American Institute of Physics.” 提要: 斯特恩-盖拉赫实验的故事揭示 了坚韧的品格、意外与运气有时候 是如何以碰巧正确的方式组合的. 斯特恩-盖拉赫于1922年在德国法兰克福进行的关于空间量子化的演示是 量子物理传奇时代最杰出的经典实验之一。 恐怕没有任何其它实验能像 它那样因其概念的优雅简洁而经常被引用, 并且从该实验还派生出了关 于量子科学全新的知识景观与大量的实际应用。 然而, 即便是在原子物 理学家的圈子里, 今天也很少有人知晓有关该实验的历史趣闻,这些趣闻 添加了故事的戏剧性色彩, 使得相关的教训或教益更显凝重。故事里值得 提及的有一副温暖的床铺, 一只劣质卷烟, 一封及时的明信片, 一场铁 路大罢工, 还有给予了斯特恩 (Stern)和盖拉赫 (Gerlach)慷慨回报的 大自然的神秘小把戏。斯特恩和盖拉赫利用磁场分裂银原子束的成功震惊 了、鼓舞了也困惑了量子理论的先驱者们,其中几位曾认为观测空间量子 化的企图是幼稚的、愚蠢的。 从斯特恩-盖拉赫实验以及利用空间量子化分离量子态的这一关键概 念衍生出来的物理研究是花样繁多的, 包括核磁共振, 光学泵浦, 激光, 原子钟,比较直接的发现有兰姆移动和触发了量子电动力学研究的电子磁 矩的反常增量,等等。 探测原子核、蛋白质乃至星系, 为身体和大脑造影, 读取 CD 中的数据, 扫描杂货店里的条形码 或者人类基因里的碱基对, 这些活动所用的工具都是基于空间量子化了的量子态之间的跃迁。 最近, 法兰克福大学的一个实验物理中 心以斯特恩-盖拉赫命名 (图 1)。 借着参 加庆典的机会, 我们重新编排了一下一只 劣质卷烟的故事, 这是斯特恩 40 年前亲口 告诉笔者之一 (Herschbach)的。这里我们 简单介绍一下两人先前的足迹以及促成两 人合作的当时物理学的困境。我们还将描述斯特恩-盖拉赫实验在电子自 旋被发现前后的荣辱变迁, 同时报道烟雾是如何引导人们制作 “ 回到未 a) 1 来” 沉积物探测器的。 受法兰克福大学的纪念匾额上把他们分别放在分 子束分裂实验示意图两侧的启发, 我们也提请读者思考一下这两位杰出 科学家后来的人生轨迹因为希特勒上台,两位走向了不同的人生道路。 从苏打水到原子束 斯特恩 1912 年 获得 Breslaub) 大学物理化学博士学位。其博士论文 a) Back to the future, 由Robert Zemeckis 1985 年制作的关于时间机器的科幻 题材电影-译者注 b) 波兰城市Wroclaw的德语名称—译者注 是关于高浓度二氧化碳在各种溶剂中,也就是广义的苏打水,的渗透压方 面的研究。他自豪的父母支持他到任何他喜欢的地方去从事博士后研究. 在一种冒险精神驱动下, 他成了那时在布拉格的爱因思坦 (Einstein)的 第一个学生,他们通常都是在一个暗娼窑子隔壁的咖啡馆里讨论问题。2 爱因思坦不久到苏黎世任职, 斯特恩也随行到了那里, 担任物理化学的 私立讲师c)。 受爱因思坦的熏陶, 斯特恩对光量子,原子, 磁学和统计物理产生了 兴趣. 但是, 玻尔的异乎寻常的原子模型让斯特恩大为吃惊。 在该模型 1913年提出后不久, 斯特恩和他的同事冯.劳厄d) (von Laue)曾誓言 “如果 玻尔的扯淡最后被证明为正确的话, 我们这辈子就不做物理”。3 1914 年 爱因思坦移居柏林, 斯特恩改到法兰克福大学任理论物理私立讲师。 不 久, 第一次世界大战爆发。但即使是身在兵中服役, 斯特恩依然作出了许 多重要的工作, 包括一项不成功但却是开创性的实验-即通过扩散分离质 量数为 2 的氢同位素。 战后, 斯特恩回到了法兰克福, 担任理论物理研究所玻恩 (Born)教 授的助手, 在那里开始了他的漫长的分子束研究历程 (图 2)。 此前