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

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1、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 3Bretislav FriedrichDudley Herschbach著曹那么贤译( 中国科学院物理研究所 北京 100080)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. 恐怕没有任何其他实验能像 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

2、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 ( Ster n) 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 、光学抽运 、激光 、

3、原子钟 , 比拟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 , 法兰克福大学以斯特恩 - 盖拉赫命名了 一个实验物理中心 ( 图 1) . 借着参加庆典的时机 ,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

4、将描述斯特恩图 1- 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我们制作“回到未来1) 式 沉积物探测器的1 . 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3本文原载于 Physics Today , December 2003 ,美国物理学会授权翻译 转 载. Rep rinted wit h permissio n f ro m Physics Today , De2 cember 2003 , Cop yrig

5、ht 2003 , American Instit ute of Physics. Back to t he f ut ure , 由 Robert Zemeckis 1985 年制作的关于时间 机器的科幻题材电影 译者注1)斯特恩 1912 年获得 Breslau1) 大学物理化学博士学位. 其博士论文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斯坦 ( 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 .

6、爱因斯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2) .受爱因斯坦的熏陶 , 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3) ( vo n L aue) 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 爱因斯 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 身在军中服役 , 斯特 恩 依 然 作 出 了 许 多

7、 重 要 的 工作 , 包括一项不成功但却是开创性的实验 ,即通过 扩散别离质量数为 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 (Bo r n) 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) . 此前他已了解到法国人丢努瓦耶 ( Dunoyer ) 在 1911 年成功地通过向 真空中喷流的方式获得了钠“分子射线. 斯特恩完 全被这个实验的“简洁与直观所倾倒 ,他意识到这 “能够使我们用宏观工具测量中性的原子或分子束 从而在证明和演示理论的根本假设方面具有特别重要的价值4.道的斯特恩的第一个分子束实验是受动力学理论的启发 ,用一个非常聪

8、明的方法测定了银原子的热力 学平均速度. 他把原子束源安置在一个转动的平台上 , 平台的切向速度只有 15 m/ s , 那么原子束产生一 个依赖于速度分布的法向的位移 , 该位移可由银的 镀层表现出来 . 比拟正反向转动引起的银镀层的移 动 , 斯 特 恩 算 得 银 原 子 的 速 度 在 1000 时 约 为660 m/ s. 其后不久 , 斯特恩设计了与此可类比的斯特恩 - 盖拉赫实验来验证玻尔的原子模型 : 磁场的 梯度会使带有行星似的绕磁轴顺时针或逆时针转动 着的电子的原子向相反的方向偏转.从热辐射到磁偏转盖拉赫 1912 年于图宾根大学获得物理学博士学位 . 他的研究对象是黑体辐

9、射和光电效应 . 第一 次世界大战期间 , 盖拉赫和维恩 ( Wien) 一起开展 无线电报技术 . 在工业界呆了一段时间后 , 盖拉赫于 1920 年在法兰克福的实验物理研究所谋到了一 个助手的位置 , 该所紧挨着玻恩的理论物理所.盖拉赫 ( 图 3) 对分子束的兴趣可追溯到 1912 年 . 丢努瓦耶成功地观察到钠分子束的荧光给盖拉 赫留下了深刻的印象. 盖拉赫试图观察其他金属束流的荧光 , 但都没有成功 . 在法兰克福 ,盖拉赫尝试 研究铋原子是否也像铋晶体那样表现出强的抗磁 性 . 他方案用强的非均匀场实现铋原子束的偏转. 为 了设计出拥有足够实用梯度的磁场 , 他尝试了多种 可能的磁

10、铁几何构型. 玻恩很疑心磁偏转实验值得做 . 盖拉赫的答复是引用一句名言 , 后来人们发现 这句话用在斯特恩 - 盖拉赫实验上也特别贴切 , 那 就是 “没 有 哪 个 实 验 会 愚 蠢 到 不 值 得 一 试 的 地 步5 .空间量子化的困惑 1921 年 , 最高深的量子理论依然是 1916 年由1)2)现属波兰 , 波兰语名为 Wroclaw 译者注Privat dozent , 德语国家获得博士学位后有资格申请教授但尚无 教席的人担任此职. 过去担任此职的人可以从听课学生的人头 费获得一定补贴 ,故名. 现仍有此职称 , 由获得博士学位后 , 并 获得专门资格 ( Habilatio

11、 n , 一般需做两年的专门研究并通过审 查) 的人担任. 资历 、位置和学术成就比我国一般意义上的教授 要高. 旧译无俸讲师 , 但如今情形并非如此. 译者注 一般中文物理文献中误译成劳厄 , 但按理应将姓的贵族标识 “von一同译出 , 如计算机科学的先驱冯诺伊曼. 译者注图 2玻恩强 烈 鼓 励 斯 特 恩 从 事 分 子 束 实 验. 实 际上 , 玻恩自己和学生鲍曼 (Bo r man) 1919 年还测量 过银原子束在空气中的平均自由程. 见于 1920 年报3)旋 , 1920 年那会儿还没被发现 , 在铁磁和反常塞曼效应中都扮演主要角色. 但是 , 泡利求助于原子磁 体的空间量

12、子化的 想 法 对 他 的 同 事 们 , 包 括 斯 特恩 , 却大有启发.对斯特恩来说 , 导致斯特恩 - 盖拉赫实验的最 直接的刺激是玻尔模型中空间量子化的一个尚未观 察到的性质. 玻尔模型要求氢原子气体应该是双折 射的 , 因为电子在垂直于场方向的平面内转动. 据斯特恩回忆 , 双折射 问 题 是 在 一 次 研 讨 会 上 提 起 的 . 第二天早上他醒来挺早 , 但那天实在太冷 , 所 以他就“躺在床上思考 , 有了做个实验的想法. 7他认识到 , 根据玻尔模型空间量子化应该只是两重的 , 因为轨道角动量的投影被限定为 h(尽管 玻尔和其他人一样对他的模型剔除了零值感到不自 在)

13、. 这个两重的特征使得利用原子束的磁偏转验 证空间量子化成为可能 . 尽管原子束的速度分布会 使条纹模糊 , 但在足够大的磁场梯度下 , 两个取向 相反分量的劈裂会 大 于 原 子 束 的 宽 度. 与 此 相 对 照 , 经典力学预言原子磁体虽然会在磁场中进动 , 但仍然保持随机取向 , 因此磁偏转会导致束的加宽 (但不会劈裂) . 因此 , 斯特恩认为他的预想中的实 验“如果成功的话 , (将) 毫不置疑地在量子理论和 经典观点之间作出抉择. 8从思考到酬谢图 3索末菲 ( So mmerfeld) 和德拜 ( Debye) 独立应用到氢原子上的玻尔 (Bo hr) 模型. 他们提出的量子

14、化条 件意味着玻尔的行星似的电子轨道在外场中只能取 一些不连续的取向. 令他们失望的是 , 即便借助空 间量 子 化 的 概 念 也 不 能 解 释 烦 人 的“反 常塞 曼 ( Zeeman) 效应 , 即磁场中谱线的复杂分裂把戏 . 尽 管“正常塞曼效应 (比“反常塞曼效应还少见) 和 空间量子化吻合 , 但用洛伦兹 (Lo rentz) 1897 年提 出的经典模型一样能解释得通 . 这给原子物理学家 造成了困惑和忧虑. 泡利 ( Pauli) 这样描述 : 反常型 (效应) 太难理解了 , 因为不管经典理论还是量子理 论关于电子的假设都总是得出同样的三重谱线分裂在暖被窝里酝酿了他的好主

15、意后 , 斯特恩急忙来到玻恩那里 , 但被兜头浇了一盆凉水. 玻恩在其 自转里写到 “: 很长一段时间后我才认真考虑那个主意 . 我始终认为 (空间) 量子化只是一种对你根本不 明白的某个事物的形式表达. 但要像斯特恩那样逐字逐句地琢磨 , 这可是他的主意我试图说服斯特恩那里面 ( 指空间量子化) 没什么意义 , 但他告诉我说值得一试. 9很幸运的是 , 斯特恩发现盖拉赫急迫想参加他 的行动 盖拉赫那时还不知道什 么 是 空 间 量 子的结论有个同事看我在哥本哈根美丽的大街上漫无目的地闲逛 , 对我说 ,“你好似不大快乐 ,对此我厉声答复 ,“正在考虑反常塞曼效应的人能高 兴起来吗 ?6泡利 , 还 有 斯 特 恩 , 一 直 试 图 改 进 由 外 斯( Weiss) 于 1913 年提出的铁磁理论. 那个今天依然 应用的理论想象金属中有磁畴结构. 可是 , 这意味着完全磁化的铁样品中的原子的平均磁矩缺乏玻尔 磁子 即电子的磁矩 B = eh/ 2 m c 的五分 之一. 为了解释这个差异 , 泡利想到了空间量子化.泡利 1920 年在做投影量子数的几何平均时得